JP2007103796A - Insulating substrate, semiconductor device, and method of manufacturing insulating substrate - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、絶縁基板に係り、特に半導体素子等の電子部品が搭載される絶縁基板に関する。
また、この発明は、このような絶縁基板を用いた半導体装置及び絶縁基板の製造方法にも関している。
The present invention relates to an insulating substrate, and more particularly to an insulating substrate on which electronic components such as semiconductor elements are mounted.
The present invention also relates to a semiconductor device using such an insulating substrate and a method for manufacturing the insulating substrate.
例えば、特許文献1には、ベース板の表面上に絶縁層及び配線層が順次積層して形成された絶縁基板が開示されている。このような絶縁基板では、配線層の表面にはんだを介して半導体素子等の電子部品を接合することにより半導体装置を構成することができる。
For example,
しかしながら、上述の絶縁基板では、電子部品がベース板の同一の面の上に配置されるため、多数の電子部品を搭載しようとすると、大面積のベース板を用いる必要があり、絶縁基板が大型化してしまうという問題があった。 However, in the above-described insulating substrate, the electronic components are arranged on the same surface of the base plate. Therefore, when a large number of electronic components are to be mounted, it is necessary to use a large-area base plate, and the insulating substrate is large. There was a problem of becoming.
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、小型でありながら多数の電子部品を搭載することができる絶縁基板を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような絶縁基板を用いた半導体装置及びこのような絶縁基板を得ることができる絶縁基板の製造方法を提供することも目的としている。
The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide an insulating substrate that can be mounted with a large number of electronic components while being small in size.
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device using such an insulating substrate and a method for manufacturing the insulating substrate capable of obtaining such an insulating substrate.
この発明に係る絶縁基板は、互いに異なる平面上に区画され且つそれぞれ電子部品を搭載するための複数の搭載領域を有するベース板と、ベース板の複数の搭載領域上に成膜される絶縁層と、ベース板の複数の搭載領域に対応して絶縁層の表面上に成膜される配線層とを備えるものである。 An insulating substrate according to the present invention includes a base plate that is partitioned on different planes and has a plurality of mounting regions for mounting electronic components, and an insulating layer that is formed on the plurality of mounting regions of the base plate, And a wiring layer formed on the surface of the insulating layer corresponding to a plurality of mounting regions of the base plate.
また、ベース板は絶縁層が成膜される面とは反対側にヒートシンク部を有することが好ましい。あるいは、ベース板の絶縁層とは反対側の面上にヒートシンク部材が配置されることが好ましい。
絶縁層は、溶射法、スパッタリング、化学気相成長法、及び物理気相成長法のいずれかにより成膜することができる。
同様に、配線層も、溶射法、スパッタリング、化学気相成長法、及び物理気相成長法のいずれかにより成膜することができる。
なお、絶縁層として、セラミック絶縁層を用いることが好ましい。
The base plate preferably has a heat sink on the side opposite to the surface on which the insulating layer is formed. Or it is preferable that a heat sink member is arrange | positioned on the surface on the opposite side to the insulating layer of a base board.
The insulating layer can be formed by any one of thermal spraying, sputtering, chemical vapor deposition, and physical vapor deposition.
Similarly, the wiring layer can be formed by any one of thermal spraying, sputtering, chemical vapor deposition, and physical vapor deposition.
Note that a ceramic insulating layer is preferably used as the insulating layer.
この発明に係る半導体装置は、上記の絶縁基板と、絶縁基板におけるベース板の複数の搭載領域に対応して配線層の表面上にそれぞれ電子部品として搭載される複数の半導体素子とを備えるものである。 A semiconductor device according to the present invention includes the above-described insulating substrate, and a plurality of semiconductor elements mounted as electronic components on the surface of the wiring layer corresponding to the plurality of mounting regions of the base plate in the insulating substrate. is there.
この発明に係る絶縁基板の製造方法は、互いに異なる平面上に区画され且つそれぞれ電子部品を搭載するための複数の搭載領域を有するベース板を用意し、ベース板の複数の搭載領域上に絶縁層を成膜し、ベース板の複数の搭載領域に対応して絶縁層の表面上に配線層を成膜する方法である。
ここで、ベース板の複数の搭載領域にわたって溶射することによりこれら複数の搭載領域に共通の絶縁層を成膜し、絶縁層の表面上にマスクを用いて溶射することによりベース板の複数の搭載領域に対応する配線層をそれぞれ成膜することができる。
The method for manufacturing an insulating substrate according to the present invention provides a base plate that is partitioned on different planes and has a plurality of mounting regions for mounting electronic components, and an insulating layer is formed on the plurality of mounting regions of the base plate. And a wiring layer is formed on the surface of the insulating layer corresponding to a plurality of mounting regions of the base plate.
Here, by spraying over a plurality of mounting areas of the base plate, a common insulating layer is formed in these mounting areas, and a plurality of mountings of the base plate are performed by spraying using a mask on the surface of the insulating layer. Each wiring layer corresponding to the region can be formed.
この発明によれば、小型でありながら多数の電子部品を搭載することが可能な絶縁基板を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize an insulating substrate capable of mounting a large number of electronic components while being small.
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
図1に、この発明の実施の形態1に係る絶縁基板の断面図を示す。この絶縁基板は、Alからなるベース板1を有しており、このベース板1は、互いにほぼ直角に屈曲した3つの平板部分2からなる断面U字状の立体構造を有している。ここで、断面U字状のベース板1の内面を構成する3つの平板部分2の表面にそれぞれ電子部品を搭載するための搭載領域が区画されている。また、ベース板1の内面上には3つの平板部分2の搭載領域全体を覆うようにセラミック絶縁層としてのAl2O3からなる絶縁層3が成膜されている。さらに、この絶縁層3の表面上には、各平板部分2の搭載領域に対応してCuからなる配線層4が成膜されている。
このような構成を有する絶縁基板は、各配線層4の表面に図示しないはんだを介して電子部品である半導体素子5を接合することにより半導体装置として使用することができる。ここで、1つの搭載領域に対して1つあるいは複数の半導体素子5を配置することができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a cross-sectional view of an insulating substrate according to
The insulating substrate having such a configuration can be used as a semiconductor device by bonding a
次に、この実施の形態1に係る絶縁基板の製造方法について説明する。まず、互いにほぼ直角に屈曲した3つの平板部分2を有する立体形状に形成されたAl押出し材をベース板1として用意する。次に、このベース板1の3つの平板部分2の表面全体にわたって溶射を行うことにより、これら3つの平板部分2に共通のAl2O3からなる絶縁層3を成膜する。さらに、絶縁層3の表面上にマスクを用いて溶射することによりそれぞれの平板部分2の搭載領域に対応してCuからなる配線層4を成膜する。
このようにして、絶縁基板が製造される。
Next, a method for manufacturing the insulating substrate according to the first embodiment will be described. First, an Al extruded material formed in a three-dimensional shape having three
In this way, an insulating substrate is manufactured.
この絶縁基板では、ベース板1の互いに屈曲した3つの平板部分2の表面にそれぞれ搭載領域が区画され、これら3つの搭載領域上にそれぞれ半導体素子5等の電子部品を配置することができる。したがって、小型でありながら多数の電子部品を実装することができる絶縁基板を実現することができる。
In this insulating substrate, mounting areas are defined on the surfaces of the three
また、立体構造を有するベース板1の各平板部分2の表面上に溶射法により絶縁層3及び配線層4を成膜するため、これら絶縁層3及び配線層4を焼結やロウ付け等を行うことなく容易に成膜することができる。
また、マスクを用いて溶射を行うことにより立体構造のベース板1でも各平板部分2の搭載領域に対応した所定パターンの配線層4を成膜することできる。
Moreover, in order to form the
Further, by performing thermal spraying using a mask, the
また、溶射法により容易に絶縁層3及び配線層4をそれぞれ所望の厚さに成膜することができると共に厚さの調整が容易である。
さらに、ベース板1が立体構造を有するため、溶射時及び電子部品のはんだ接合時の入熱に起因したベース板1の変形を抑制することができ、これにより入熱による変形が抑制された絶縁基板が得られる。
In addition, the
Furthermore, since the
また、ベース板1としてAl押出し材を用いることにより、ベース板1を低コストで量産することができる。
また、上述のように絶縁層3をAl2O3から成膜すれば、Al2O3はAlと優れた密着性を有するため、絶縁層3とベース板1との密着性が向上する。
さらに、ベース板1は熱伝導率の優れたAlから形成されているため、半導体素子5等の電子部品で発生した熱は配線層4及び絶縁層3を通ってベース板1の各平板部分2から外部へ効率よく放散される。また、半導体素子5から発生した熱は、ベース板1の平面方向に拡散しながら板厚方向に伝達される。従って、通常の1つの平板部分しか持たないベース板では、隣接する半導体素子5からの熱が互いに干渉し、局所的な熱の集中が発生する。しかし、ベース板1は立体構造であり、具体的には互いにほぼ直角に屈曲した3つの平板部分2からなる断面U字状の立体構造を有している。従って、各平板部分上の半導体素子5等から発生した熱はベース板1を伝導する際に互いに干渉する虞が少なく、局所的な熱の集中が抑制される。
Further, by using an Al extruded material as the
Further, if the
Furthermore, since the
実施の形態2.
図2を参照して、実施の形態2に係る絶縁基板を説明する。この実施の形態2は、実施の形態1の絶縁基板において、ベース板1の代わりに、断面U字形状の外側にヒートシンク部11を有するベース板12を用いるものである。ここで、断面U字状のベース板12は、その外側すなわち絶縁層3が成膜される面とは反対側に、複数のフィン11aからなるヒートシンク部11を有しており、Al押出し材等から形成することができる。なお、このベース板12の内面上にも、実施の形態1におけるベース板1と同様に、絶縁層3及び配線層4が積層されており、各配線層4の表面に半導体素子5等の電子部品を搭載して半導体装置を構成することができる。
With reference to FIG. 2, an insulating substrate according to the second embodiment will be described. The second embodiment uses a
このベース板12は、優れた熱伝導率を有するAlからなるだけでなく、絶縁層3が成膜される面とは反対側にヒートシンク部11を有するため、半導体素子5等の電子部品で発生した熱が配線層4及び絶縁層3を通ってベース板12のヒートシンク部11から外部へさらに効率よく放散される。
The
なお、上述のように、複数のフィン11aが形成された空冷式のヒートシンク部11を有するベース板12の代わりに、図3に示されるように、複数の通水管13aが形成された水冷式のヒートシンク部13を有するベース板14を用いることもできる。
As described above, instead of the
実施の形態3.
図4を参照して、実施の形態3に係る絶縁基板を説明する。この実施の形態3は、実施の形態1において、Alからなるベース板1の代わりに、Al/SiC複合材からなる断面U字状のベース板21を備え、さらにこのベース板21の外面すなわちベース板21の絶縁層3とは反対側の面に接してAl等からなるヒートシンク部材22を配置したものである。ヒートシンク部材22は、外方を向いて形成される複数のフィン22aを有している。
With reference to FIG. 4, an insulating substrate according to the third embodiment will be described. The third embodiment includes a
ここで、半導体素子5等の電子部品に使用されているSi等の半導体材料は低膨張であるが、ベース板21が小さい熱膨張係数を有するAl/SiC複合材から形成されるため、各配線層4の表面に搭載される半導体素子5等の電子部品とベース21との熱膨張係数の差が小さくなってそれらの間に生じる熱応力が低減され、熱応力による電子部品の反りの発生や電子部品を接合するはんだのクラック等の発生を抑制することができる。
また、ベース板21を構成するAl/SiC複合材は、Alと同様に優れた熱伝導率を有すると共にベース板21の外面に接してAlからなるヒートシンク部材22が配置されているため、半導体素子5等の電子部品で発生した熱は配線層4、絶縁層3及びベース板21を通ってヒートシンク部材22から外部へ効率よく放散される。
Here, a semiconductor material such as Si used for an electronic component such as the
In addition, the Al / SiC composite material constituting the
なお、上述のように複数のフィン22aが形成された空冷式のヒートシンク部材22の代わりに、図5に示されるように、複数の通水管23aが形成された水冷式のヒートシンク部材23を、断面U字状のベース板21の外面すなわちベース板21の絶縁層3が成膜される面とは反対側の面に接して配置することもできる。
Instead of the air-cooled
実施の形態4.
図6を参照して、実施の形態4に係る半導体装置を説明する。この実施の形態4は、実施の形態1の絶縁基板に半導体素子5等の電子部品を搭載して半導体装置を構成したものを一対用意し、これら一対の半導体装置の内面を互いに対向させてそれぞれのベース板1の上端面を接して配置したものである。
このように構成すれば、各配線層4の表面に搭載される半導体素子5がAlからなる一対のベース板1により周りを囲まれた状態となるため、外部からの電界ノイズに対するシールド性が向上する。
A semiconductor device according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, a pair of semiconductor devices is prepared by mounting electronic components such as the
If comprised in this way, since the
なお、図3に示したようにベース板14が水冷式のヒートシンク部13を有する絶縁基板を用いて図7に示されるような半導体装置を構成することにより、放熱性を向上させることができる。同様に、図2に示したようにベース板12が空冷式のヒートシンク部11を有する絶縁基板を用いて半導体装置を構成することにより、放熱性を向上させることもできる。
また、図5に示されるようにAl/SiC複合材からなる断面U字状のベース板21の外面に接して水冷式のヒートシンク部23が配置される絶縁基板を用いて図8に示されるような半導体装置を構成することにより、放熱性を向上させることができる。同様に、図4に示したように断面U字状のベース板21の外面に接して空冷式のヒートシンク部22を有する絶縁基板を用いて半導体装置を構成することにより、放熱性を向上させることもできる。
In addition, as shown in FIG. 3, the heat dissipation can be improved by configuring the semiconductor device as shown in FIG. 7 using the insulating substrate in which the
Further, as shown in FIG. 5, as shown in FIG. 8, using an insulating substrate in which a water-cooled
実施の形態5.
図9を参照して、実施の形態5の絶縁基板を説明する。この実施の形態5は、実施の形態1における断面U字状のベース板1に対して、その内面ではなく、その外面上に絶縁層31及び配線層32を積層したものである。
With reference to FIG. 9, the insulating substrate of
ここで、断面U字状のベース板1の外面を構成する3つの平板部分2の表面にそれぞれ電子部品を搭載するための搭載領域が区画されている。また、ベース板1の外面上に、実施の形態1と同様に、溶射法により3つの平板部分2の搭載領域全体を覆うようにAl2O3からなる絶縁層31が成膜されると共に、この絶縁層31の表面上に溶射法により各平板部分2の搭載領域に対応してCuからなる配線層32が成膜されている。
なお、この絶縁基板でも、各配線層32の表面に半導体素子5等の電子部品を搭載して半導体装置を構成することができる。
Here, mounting areas for mounting electronic components are defined on the surfaces of the three
Even with this insulating substrate, an electronic component such as the
断面U字状のベース板1の外面を構成する3つの平板部分2の表面にそれぞれ搭載領域が区画され、これら3つの搭載領域上にそれぞれ半導体素子5等の電子部品を配置することができるため、上述の実施の形態1と同様に、小型でありながら多数の電子部品を実装することが可能な絶縁基板を実現することができる。
Since mounting areas are defined on the surfaces of the three
なお、ベース板1の代わりに、図10に示されるように、複数の通水管33aが形成されたヒートシンク部33を有するベース板34を用いれば、放熱性を向上させることができる。
In addition, if the
実施の形態6.
図11に示されるように、断面U字状のベース板1に対して、その内面上に絶縁層3及び配線層4を順次積層すると共に外面上に絶縁層31及び配線層32を順次積層し、ベース板1の内側の各配線層4及び外側の各配線層32の表面にそれぞれ半導体素子5等の電子部品を搭載して半導体装置を構成することができる。
Embodiment 6 FIG.
As shown in FIG. 11, the insulating
なお、上述の実施の形態1〜6において、ベース板1,12,14,21,34はAlやAl/SiC複合材の他、各種の材料から形成することができ、特にCu、Fe等の高い放熱性を有する材料から形成することが好ましい。また、Alのように押出し加工や、ブレス加工が容易な金属等から形成してもよい。
また、断面U字状のベース板1,12,14,21,34の代わりに、断面L字形状等、その他様々な断面形状を有する立体構造のベース板を用いることができる。
In the above-described first to sixth embodiments, the
Further, in place of the
また、上述の実施の形態1〜6では、それぞれのベース板1,12,14,21,34がU字鋼型に形成されていたが、これらのベース板1,12,14,21,34をそれぞれ筐体状に形成することもでき、このように構成すれば、電子部品を搭載するための搭載領域が増えると共にこの筐体状のベース板1,12,14,21,34を有する絶縁基板を図7及び8のように対向させれば、内部が密閉されてシールド性がより一層向上する。
In the first to sixth embodiments described above, the
また、実施の形態1〜6において、絶縁層3及び31は、大気圧プラズマ溶射(APS)または溶棒式フレーム溶射(ローカイド)などの溶射法により成膜することができる。また、エアロゾルデポジション法及び減圧プラズマ法を用いても良い。この場合、大気圧プラズマ溶射または溶棒式フレーム溶射に比べ緻密組織が形成でき、高熱伝導化が期待できる。
また、上述の実施の形態では、ベース板は押出し加工にて作成したが、プレス加工、鋳造、ダイカスト等で作成しても良い。
また、絶縁層3及び31は、Al2O3に限らず、絶縁性を有し且つ溶射を行うことができる各種の材料から成膜することができる。また、絶縁層としてセラミック絶縁層を用いることで、高熱伝導と低膨張が期待できる。
In the first to sixth embodiments, the insulating
Moreover, in the above-mentioned embodiment, although the base plate was produced by the extrusion process, you may produce it by press work, casting, die casting, etc.
The insulating
また、配線層4及び32は、高速フレーム溶射(HVOF)またはコールドスプレーなどの溶射法により成膜することができる。
また、配線層4及び32は、Cuに限らず、導電性を有し且つ溶射を行うことができる各種の材料から成膜することができる。
The wiring layers 4 and 32 can be formed by a thermal spraying method such as high-speed flame spraying (HVOF) or cold spray.
Further, the wiring layers 4 and 32 are not limited to Cu, and can be formed from various materials having conductivity and capable of thermal spraying.
ここで、コールドスプレー法と大気圧プラズマ溶射法によりそれぞれCu層を成膜し、その断面組織を観察したところ、コールドスプレー法により成膜されたCu層では、金属粒子の酸化はほとんど見られず、気孔率は1%程度であるのに対し、大気圧プラズマ溶射法により成膜されたCu層では、金属粒子の表層が酸化しており、10%程度の気孔率が確認された。また、Cu層の残留応力は、コールドスプレー法により成膜した場合には圧縮力、大気圧プラズマ溶射法により成膜した場合には引張り力であった。
また、絶縁層、配線層は溶射法のほか、スパッタリング、化学気相成長法、物理気相成長法のいずれかで成膜してもよい。
Here, Cu layers were formed by the cold spray method and the atmospheric pressure plasma spraying method, respectively, and the cross-sectional structure thereof was observed. In the Cu layer formed by the cold spray method, almost no oxidation of metal particles was observed. The porosity was about 1%, whereas in the Cu layer formed by atmospheric pressure plasma spraying, the surface layer of metal particles was oxidized, and a porosity of about 10% was confirmed. Further, the residual stress of the Cu layer was a compressive force when the film was formed by the cold spray method, and a tensile force when the film was formed by the atmospheric pressure plasma spraying method.
In addition to the thermal spraying method, the insulating layer and the wiring layer may be formed by sputtering, chemical vapor deposition, or physical vapor deposition.
1,12,14,21,34 ベース板、2 平板部分、3,31 絶縁層、4,32 配線層、5 半導体素子、11,13 ヒートシンク部、11a,22a フィン、13a,23a 通水管、22,23 ヒートシンク部材。 1, 12, 14, 21, 34 Base plate, 2 flat plate portion, 3, 31 insulating layer, 4, 32 wiring layer, 5 semiconductor element, 11, 13 heat sink portion, 11a, 22a fin, 13a, 23a water pipe, 22 , 23 Heat sink member.
Claims (11)
前記ベース板の複数の搭載領域上に成膜される絶縁層と、
前記ベース板の複数の搭載領域に対応して前記絶縁層の表面上に成膜される配線層と
を備えることを特徴とする絶縁基板。 A base plate which is partitioned on different planes and has a plurality of mounting areas for mounting electronic components,
An insulating layer formed on a plurality of mounting regions of the base plate;
An insulating substrate comprising: a wiring layer formed on the surface of the insulating layer corresponding to a plurality of mounting regions of the base plate.
前記絶縁基板における前記ベース板の複数の搭載領域に対応して前記配線層の表面上にそれぞれ電子部品として搭載される複数の半導体素子と
を備えることを特徴とする半導体装置。 An insulating substrate according to any one of claims 1 to 8,
A semiconductor device comprising: a plurality of semiconductor elements each mounted as an electronic component on the surface of the wiring layer corresponding to a plurality of mounting regions of the base plate on the insulating substrate.
前記ベース板の複数の搭載領域上に絶縁層を成膜し、
前記ベース板の複数の搭載領域に対応して前記絶縁層の表面上に配線層を成膜する
ことを特徴とする絶縁基板の製造方法。 Preparing a base plate which is partitioned on different planes and has a plurality of mounting areas for mounting electronic components,
Forming an insulating layer on a plurality of mounting regions of the base plate;
A method for producing an insulating substrate, comprising forming a wiring layer on the surface of the insulating layer corresponding to a plurality of mounting regions of the base plate.
前記絶縁層の表面上にマスクを用いて溶射することにより前記ベース板の複数の搭載領域に対応する前記配線層をそれぞれ成膜する請求項10に記載の絶縁基板の製造方法。 Forming the insulating layer common to the plurality of mounting regions by spraying over the plurality of mounting regions of the base plate;
The method for manufacturing an insulating substrate according to claim 10, wherein the wiring layers corresponding to a plurality of mounting regions of the base plate are formed by thermal spraying on the surface of the insulating layer using a mask.
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