JP2007214492A - 絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板並びに絶縁伝熱構造体の製造方法 - Google Patents

絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板並びに絶縁伝熱構造体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】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、安定した性能を長期にわたって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並びに絶縁伝熱構造体の製造方法を提供すること。
【解決手段】絶縁体層2と、絶縁体層2の両側に配置された高熱伝導体層3、4とを備え、絶縁体層2が、接合層5と、高熱伝導体層3、4に突出されているダイヤモンド粒子6とを有し、接合層5の面内方向の一方向でダイヤモンド粒子6を等間隔に複数配置した粒子群6Aが、前記面内方向の前記一方向は異なる方向に等間隔で複数配置されている。
【選択図】図1

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などの発熱体とヒートシンク、ヒートブロックなどの放熱体との間に介装される絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板並びに絶縁伝熱構造体の製造方法に関するものである。
従来から、DBA(Al/AlN/Al)やDBC(Cu/AlN/Cu)などを有するパワーモジュール構造体が知られている。
この種のパワーモジュール構造体としては、例えば絶縁体セラミックスと、この絶縁体セラミックスの一面にハンダ層を介して設けられた回路層と、絶縁体セラミックスの他面にハンダ層を介して設けられた放熱板と、この放熱板に熱伝導グリース層を介して装着されたヒートシンクとを備える構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
このパワーモジュール構造体は、回路層の表面に例えば半導体チップのような発熱体を配設することで使用される。そして、使用時には、発熱体のオンオフが繰り返されることにより、パワーモジュール構造体全体に温度サイクルが作用することとなる。
特開平1−286348号公報
しかしながら、上記従来のパワーモジュール構造体には、以下の課題が残されている。すなわち、上記従来のパワーモジュール構造体では、発熱体によって発生された熱がこの発熱体にとどまることを防止するために、回路層を厚くすることによって熱をこの回路層に良好に伝導させる場合がある。この場合、パワーモジュール構造体の使用時に発生する回路層の熱変形が絶縁体セラミックスや半導体チップに拘束されることによって、絶縁体セラミックスや半導体チップに大きな曲げ応力が作用することとなり、この絶縁体セラミックスに割れが生じたり、回路層と半導体チップとの間のハンダ層にクラックが生じるおそれがある。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、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、安定した性能を長期にわたって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並びに絶縁伝熱構造体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記のような課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明の絶縁伝熱構造体は、絶縁体層と、該絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層とを備え、前記絶縁体層が、接合層と、前記高熱伝導体層に突出されている絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を前記接合層の面内方向の一方向で等間隔に複数配置した粒子群が、前記面内方向の前記一方向は異なる方向に等間隔で複数配置されていることを特徴とする。
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、高熱伝導体層の一面に接合層を設ける接合層形成工程と、該接合層の上面に、該接合層の面方向の一方向で絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔で配置して粒子群を形成すると共に、該粒子群を前記接合層の面方向の前記一方向とは異なる方向で等間隔に配置する粒子配置工程と、前記高熱伝導体層との間に前記接合層及び前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を介在させるように他の高熱伝導体層を配置した状態で、加熱、加圧し、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を前記両高熱伝導体層に突き出させる加熱加圧工程と、を備えることを特徴とする。
これらの発明によれば、例えば格子状のように、絶縁性高熱伝導硬質粒子を接合層内の2方向である一定の間隔でそれぞれ配置することによって、両高熱伝導体層内で両高熱伝導体層間の熱伝導性に偏りが生じることを抑制する。これにより、両高熱伝導体層間の熱伝導が効率よく行われる。また、絶縁性高熱伝導硬質粒子が接合層内で偏りなく配置されているので、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を抑制し、製造コストを削減することができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記粒子群を形成する前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記一方向で0.1mm以上5.0mm以下の間隔で配置されていると共に、前記粒子群が、前記一方向とは異なる方向で0.1mm以上5.0mm以下の間隔で配置されていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁性高熱伝導硬質粒子の配置間隔を0.1mm以上5.0mm以下とすると共に粒子群の配置間隔を0.1mm以上5.0mm以下とすることによって、両高熱伝導体層間の熱伝導性を維持すると共に、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を抑制することができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、絶縁体層と、該絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層とを備え、前記絶縁体層が、接合層と、前記高熱伝導体層に突出されている絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、前記接合層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔に複数配置した粒子群が、前記一点を中心とした同心円状に前記基準円の半径方向に等間隔で複数配置されていることを特徴とする。
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、高熱伝導体層の一面に接合層を設ける接合層形成工程と、該接合層の上面に、該接合層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔で配置して粒子群を形成すると共に、該粒子群を前記一点を中心とした同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数配置する粒子配置工程と、前記高熱伝導体層との間に前記接合層及び前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を介在させるように他の高熱伝導体層を配置した状態で、加熱、加圧し、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を前記両高熱伝導体層に突き出させる加熱加圧工程と、を備えることを特徴とする。
これらの発明によれば、上述と同様に、両高熱伝導体層内で両高熱伝導体層間の熱伝導性に偏りが生じることを抑制するので、両高熱伝導体層間の熱伝導が効率よく行われる。また、絶縁性高熱伝導硬質粒子が接合層内で偏りなく配置されているので、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を抑制し、製造コストを削減することができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記粒子群を形成する前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記周方向で0.1mm以上5.0mm以下の間隔で配置されていると共に、前記粒子群が、該粒子群の半径方向で0.1mm以上5.0mm以下の間隔で配置されていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁性高熱伝導硬質粒子の配置間隔を0.1mm以上5.0mm以下とすると共に粒子群の配置間隔を0.1mm以上5.0mm以下とすることによって、上述と同様に、両高熱伝導体層間の熱伝導性を維持すると共に、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を抑制することができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、一方の前記高熱伝導体層の上面に発熱体を搭載する発熱体搭載予定部が形成され、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記発熱体搭載予定部と対向するように配置されていることが好ましい。
この発明によれば、例えば半導体チップのような発熱体が搭載される発熱体搭載予定部と対向する位置に絶縁性高熱伝導硬質粒子を配置することで、発熱体による発熱を効率よく他方の高熱伝導体層に伝導させることができると共に、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を削減することができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、ダイヤモンド、SiC、Si、AlNあるいはBNによって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、低熱膨張係数でかつ熱伝導率の高いダイヤモンド、SiC、Si、AlNあるいはBNを用いることで、絶縁体層と一方の高熱伝導体層とを合わせた熱膨張係数を小さくでき、かつ絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層間で良好に熱を伝達することができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、耐熱性樹脂によって形成されていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁体層が弾性を有することから、使用時に熱サイクルが生じたとしても、高熱伝導体と絶縁体層との間に亀裂が生じることが防止される。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記接合層が、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相によって形成されていることが好ましい。
この発明によれば、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相を用いることで絶縁耐圧を上昇させたり、高温高湿雰囲気中での耐圧値の劣化を抑制したりすることができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層が、Al、Cu、AgまたはAuによって形成されていることが好ましい。
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。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層の一方に、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が好ましい。
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。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記回路が形成された高熱伝導体層が、前記絶縁体層の一面に分割して形成されていることが好ましい。
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。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、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が好ましい。
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。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記回路が形成された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が好ましい。
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。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層のうちの一方が、放熱体であることが好ましい。
この発明によれば、放熱体によって効率よく放熱することができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、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が好ましい。
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。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、上記記載の絶縁伝熱構造体と、前記高熱伝導体層の上面に設けられた半導体チップとを備えることを特徴とする。
この発明によれば、半導体チップの生じる熱が絶縁伝熱構造体を介して放熱され、使用時に熱サイクルが生じたとしても、高熱伝導体層と絶縁体層との間に剥離や亀裂が生じない。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、他の前記高熱伝導体層の下面に放熱板が接合されていることが好ましい。
この発明によれば、上述と同様に、高熱伝導体層と絶縁体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。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、ヒートシンクが設けられていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁伝熱構造体をヒートシンクに対して付勢することで、絶縁伝熱構造体とヒートシンクとの接触が良好となるので、半導体チップに生じる熱をより効率よく伝達させることができる。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記絶縁伝熱構造体を前記ヒートシンクに対して付勢させる付勢部材を備えることが好ましい。
この発明によれば、絶縁伝熱構造体をヒートシンクに対して付勢することで、絶縁伝熱構造体とヒートシンクとの接触が良好となるので、半導体チップに生じる熱をより効率よく伝達させることができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、前記粒子配置工程が、前記接合層上に、紫外線を照射することで粘着性が変化する感光性樹脂層を形成し、該感光性樹脂層に紫外線を照射して、該感光性樹脂層の面方向の一方向に等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位によって構成される粘着部位群を前記面方向の前記一方向とは異なる方向で等間隔に複数形成し、前記複数の粘着部位群を構成する複数の粘着部位のそれぞれに前記高熱伝導硬質粒子を粘着固定させて前記接合層上に配置することが好ましい。
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、前記粒子配置工程が、前記接合層上に、面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔であると共に前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径とほぼ同一である複数の貫通孔によって構成される貫通孔群が前記一点を中心として同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数形成されたマスク部材を配置し、前記複数の貫通孔に、前記高熱伝導硬質粒子を通過させて前記接合層上に配置することが好ましい。
この発明によれば、マスク部材上に絶縁性高熱伝導硬質粒子を配置したときに、貫通孔を通過した絶縁性高熱伝導硬質粒子のみが接合層上に配置される。したがって、接合層上にそれぞれ所定の間隔となるように粒子群及び粒子群を形成する絶縁性高熱伝導硬質粒子を容易に配置することができる。
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、前記粒子配置工程が、前記接合層上に、紫外線を照射することで粘着性が変化する感光性樹脂層を形成し、該感光性樹脂層に紫外線を照射して、該感光性樹脂層の面方向の一方向に等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位によって構成される粘着部位群を前記面方向の前記一方向とは異なる方向で等間隔に複数形成し、前記複数の粘着部位群を構成する複数の粘着部位のそれぞれに前記高熱伝導硬質粒子を粘着固定させて前記接合層上に配置することが好ましい。
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、前記粒子配置工程が、前記接合層上に、紫外線を照射することで粘着性が変化する感光性樹脂層を形成し、該感光性樹脂層に紫外線を照射して、該感光性樹脂層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位によって構成される粘着部位群を前記一点を中心として同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数形成し、前記複数の粘着部位群を構成する複数の粘着部位のそれぞれに前記高熱伝導硬質粒子を粘着固定させて前記接合層上に配置することが好ましい。
この発明によれば、感光性樹脂層の上面に絶縁性高熱伝導硬質粒子を配置したときに、粘着部位上に配置された絶縁性高熱伝導硬質粒子のみが感光性樹脂層の上面に粘着固定され、感光性樹脂層の他の上面に配置された絶縁性高熱伝導硬質粒子が感光性樹脂層の上面に粘着固定されない。したがって、接合層上にそれぞれ所定の間隔となるように粒子群及び粒子群を形成する絶縁性高熱伝導硬質粒子を容易に配置することができる。
この発明にかかる絶縁伝熱構造体及び製造方法によれば、両高熱伝導体層間の熱伝導が効率よく行われ、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が維持される。また、絶縁性高熱伝導硬質粒子が接合層内で偏りなく設けられているので、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を抑制して製造コストを削減することができる。
以下、本発明によ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。
本実施形態における絶縁伝熱構造体1は、絶縁体層2と、絶縁体層2の両側に配置された高熱伝導体層3、4とを備えている。
絶縁体層2は、高熱伝導体層3、4間を一体に接続する接合層5と、接合層5に混入または貼着されたダイヤモンド粒子(絶縁性高熱伝導硬質粒子)6とによって構成されており、ダイヤモンド粒子6の高熱伝導体層3、4側に位置している部分が、高熱伝導体層3、4内に突き出されている。
接合層5は、絶縁性及び耐熱性を有しており、例えばポリイミド製の熱硬化性樹脂によって構成されており、絶縁抵抗が1010Ω・cm以上、融点が450〜600℃(連続使用温度250℃以上に耐えることが可能な温度(ハンダの融点温度以上))となっている。
ダイヤモンド粒子6は、絶縁性、高熱伝導性及び硬質性を有しており、絶縁抵抗が接合層5と同様に1010Ω・cm以上、熱伝導率がAlより高い150W/mK以上であると共に硬度が高熱伝導体層3、4の硬さの10倍以上(高熱伝導体層3、4を50〜100Hvの純金属で構成した場合にはHv500〜1000の硬さ)となっている。
また、ダイヤモンド粒子6は、その粒径が100μm以上300μm以下となっており、絶縁体層2の両側に高熱伝導体層3、4を配置し、高熱伝導体層3、4を熱間圧着したときに、高熱伝導体層3、4側に位置している部分が高熱伝導体層3、4内に突き出される。
そして、ダイヤモンド粒子6は、図2に示すように、接合層5の面方向の一方向で間隔L1となるように複数配置されることで粒子群6Aを形成している。そして、この粒子群6Aは、接合層5の面方向の上記一方向とは異なる他の方向で間隔L2となるように複数配置されている。すなわち、ダイヤモンド粒子6は、接合層5の面内で格子状に配置されている。ここで、間隔L1、L2は、それぞれ0.1mm以上5.0mm以下となっている。なお、ダイヤモンド粒子6は、接合層5の面方向で互いに交差する2方向で、それぞれの方向で等間隔に配置されていればよく、この2方向が直交する格子状に限られるものではない。
高熱伝導体層3、4は、それぞれ電気伝導性を有するAlの薄板によって構成されている。また、高熱伝導体層3、4は、絶縁体層2の両側に位置した状態でプレスなどによって加圧することにより、絶縁体層2の両側に積層された状態で配置される。この高熱伝導体層3、4は、ダイヤモンド粒子6よりも軟らかい材料によって形成されており、絶縁体層2と対向する面にダイヤモンド粒子6の一部が突き出されている。
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説明する。
まず、接合層形成工程を行う。この接合層形成工程では、一方の高熱伝導体層4の一面に接合層5を形成し、その上に溶剤を塗布することで溶剤層8を形成する(図3(a)参照)。
次に、粒子配置工程を行う。この粒子配置工程では、ダイヤモンド粒子6とほぼ同一の径の貫通孔Maが形成された金属またはセラミックスで形成されたマスク板(マスク部材)Mを、接合層5からダイヤモンド粒子6とほぼ同一の間隙を介して配置する(図3(b)参照)。ここで、貫通孔Maは、一方向で間隔L1となるように複数形成されることで貫通孔群Mbを構成している。また、この貫通孔群Mbは、一方向とは異なる他の方向で間隔L2となるように複数形成されている。これら間隔L1、L2は、それぞれダイヤモンド粒子6の配置間隔と同様に0.1mm以上5.0mm以下となっている。そして、マスク板Mの上から貫通孔Maを介してダイヤモンド粒子6を溶剤層8上に配置する(図3(c)参照)。このとき、マスク板Mの上にダイヤモンド粒子6を載置しても、貫通孔Maを通過したダイヤモンド粒子6のみが溶剤層8上に配置され、接合層5上の互いに交差する2方向で等間隔となるように配置される。
そして、加熱加圧工程を行う。この加熱加圧工程では、溶剤層8を乾燥させ(図3(d)参照)、加熱・加圧することで両高熱伝導体層3、4間を接合層5を介して一体に接合させ、ダイヤモンド粒子6の高熱伝導体層3、4に対向している部分を高熱伝導体層3、4側に貫入させる(図3(e)参照)。
以上のようにして、絶縁体層2の両側に高熱伝導体層3、4を積層した状態で配置した絶縁伝熱構造体1が製造される。ここで、ダイヤモンド粒子6の表面をCuメッキまたはNiメッキで被覆し、ダイヤモンド粒子6と高熱伝導体層3、4との接合性を高めてもよい。
そして、上述のように構成した絶縁伝熱構造体1の一方の高熱伝導体層3上に例えば半導体チップなどの発熱体を搭載することによって発熱体側として使用し、他方の高熱伝導体層4を放熱体側として使用することにより、一方の高熱伝導体層3側の熱が絶縁体層2のダイヤモンド粒子6を介して他方の高熱伝導体層4側に伝導されて放散されることになる。
このように構成された絶縁伝熱構造体1によれば、両高熱伝導体層3、4間の熱伝導が効率よく行われるので、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、安定した性能を維持することができる。ここで、ダイヤモンド粒子6が接合層5の層内方向の互いに交差する2方向においてそれぞれ0.1mm以上5.0mm以下の間隔で配置されており、ダイヤモンド粒子6が接合層5内で偏りなく設けられているので、ダイヤモンド粒子6の使用量を抑制し、製造コストを削減することができる。
なお、本実施形態において、高熱伝導体層3の上に例えば半導体チップのような発熱体を搭載する場合には、以下のようにして絶縁伝熱構造体1を製造してもよい。
すなわち、高熱伝導体層3の半導体チップが搭載される発熱体搭載予定部と対向する接合層5のみにダイヤモンド粒子6が配置されるようにマスク板Mの貫通孔Maを形成する。そして、このマスク板Mを用いてダイヤモンド粒子6を配置して高熱伝導体層3、4で接合層5を挟み込むことで、ダイヤモンド粒子6が発熱体搭載予定部と対向する接合層5のみに配置される。このように発熱体搭載予定部と対向する接合層5のみにダイヤモンド粒子6を配置することで、半導体チップのような発熱体で発熱した熱が他の高熱伝導体層に効率よく伝導されると共に、ダイヤモンド粒子6の使用量の削減を図れる。
また、以下のようにして絶縁伝熱構造体1を製造してもよい。まず、接合層形成工程では、一方の高熱伝導体層4の一面に接合層5を配置し、その上に特定波長の紫外線を照射することによって粘着性が発生する感光性粘着シートまたはラミネートである感光性樹脂層9を形成する(図4(a)参照)。ここで、感光性樹脂層9には、例えばソマタックUVシリーズ(ソマール株式会社製)などが好適に用いられる。
次に、粒子配置工程では、格子状のように2方向でそれぞれ間隔L1、L2となるように貫通孔が形成されたマスクを用いて感光性樹脂層9に対して紫外線を照射する。これにより、感光性樹脂層9の面方向の一方向で紫外線の照射部位9Aが等間隔に複数形成されることで照射部位群9Bを構成すると共に、この照射部位群9Bが面方向の一方向とは異なる方向で等間隔に複数形成される。この照射部位9Aは、紫外線が照射されることによって粘着性が変化する(図4(b)参照)。そして、感光性樹脂層9の上にダイヤモンド粒子6を配置させ(図4(c)参照)、加熱することで感光性樹脂層9を消失させる(図4(d)参照)。このとき、感光性樹脂層9の照射部位9Aがダイヤモンド粒子6の粒径とほぼ同一となるように形成することで、ダイヤモンド粒子6を感光性樹脂層9上に均一に配置しても、感光性樹脂層9上の2方向のそれぞれで等間隔となるように形成された照射部位9A上のみにダイヤモンド粒子6が1つずつ配置されることになる。
その後、加熱加圧工程では、上述と同様に、加熱・加圧することで両高熱伝導体層3、4間を接合層5を介して一体に接合させ、ダイヤモンド粒子6の高熱伝導体層3、4に対向している部分を高熱伝導体層3、4側に貫入させる(図4(e)参照)。以上のようにして絶縁伝熱構造体1を製造する。ここで、感光性樹脂層9は、紫外線を照射することによって粘着性を消失するように構成されてもよい。
さらに、本実施形態では、図5に示すように、ダイヤモンド粒子6を接合層5の面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔に複数配置することで粒子群6Bを形成すると共に、この粒子群6Bを上記一点を中心とした同心円状に上記基準円の半径方向に等間隔で複数配置してもよい。ここで、粒子群6Bを構成するダイヤモンド粒子6は、基準円の周方向で間隔L3となるように等間隔で配置されている。また、各粒子群6Bは、基準円の半径方向で間隔L4となるように等間隔で配置されている。これら間隔L3、L4は、それぞれ0.1mm以上5.0mm以下となっている。このようにしても、上述と同様に、ダイヤモンド粒子6が接合層5内で偏りなく設けられているので、両高熱伝導体層3、4間の熱伝導が効率よく行われ、ダイヤモンド粒子6の使用量を抑制し、製造コストを削減することができる。
ここで、上述と同様に、面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔であると共にダイヤモンド粒子6の粒径とほぼ同一である複数の貫通孔(図示略)によって構成される貫通孔群(図示略)が上記一点を中心として同心円状に上記基準円の半径方向で等間隔に複数形成されたマスク板(図示略)を用いてダイヤモンド粒子6の配置を行ってもよい。さらに、紫外線を照射して、面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位(図示略)によって構成される粘着部位群(図示略)を上記一点を中心として同心円状に上記基準円の半径方向で等間隔に複数形成した感光性樹脂層(図示略)を用いてダイヤモンド粒子6の配置を行ってもよい。
次に、第2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6においては、図1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2の実施形態におけるパワーモジュール用基板20は、絶縁伝熱構造体をパワーモジュール用基板として適用したものであって、絶縁体層2の上面側に一方の高熱伝導体層3a、3bであるAlなどからなる回路層が分割して配置され、絶縁体層2の下面側に他方の高熱伝導体層4であるAlなどからなる薄板が配置されている。そして、これらを加熱、加圧することにより両高熱伝導体層3a、3b、4を絶縁体層2の接合層5を介して一体的に接合し、絶縁体層2のダイヤモンド粒子6の一部を両高熱伝導体層3a、3b、4内に突き出させた構成とされている。
このように構成されたパワーモジュール用基板20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、4間の熱の伝導が効率よく行われる。
次に、第3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7においては、図6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3の実施形態におけるパワーモジュール用基板25は、高熱伝導体層3a、3b及び高熱伝導体層4の表面がニッケルメッキ層(以下、Niメッキ層と省略する)26で被覆されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板25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及び高熱伝導体層4の表面をNiメッキ層26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したときに、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。
次に、第4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においては、図6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4の実施形態におけるパワーモジュール用基板30は、一方の高熱伝導体層3a、3bとして互いに厚さの異なるCu製のヒートブロックが配置され、他方の高熱伝導体層4としてAlなどからなる薄板が配置されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板30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。
次に、第5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9においては、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4の実施形態におけるパワーモジュール用基板35は、上述した第3の実施形態と同様に、高熱伝導体層3a、3b及び高熱伝導体層4の表面がNiメッキ層26で被覆されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板35においても、上述した第4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及び高熱伝導体層4の表面をNiメッキ層26で被覆することによって、上述した第3の実施形態と同様に、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。
次に、第6の実施形態について図10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10においては、図6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40は、一方の高熱伝導体層3としてCu製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層4としてAl製のヒートブロックが配置されている。そして、高熱伝導体層3である回路層の表面にハンダ層41を介して半導体チップ42が実装されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板40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、高熱伝導体層4をヒートブロックとして構成することで、半導体チップ42で生じた熱を高熱伝導体層4で効率よく放熱することができる。
次に、第7の実施形態について図11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11においては、図10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7の実施形態におけるパワーモジュール用基板45は、一方の高熱伝導体層3としてCu製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層4としてAl製のヒートシンクが配置されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板45によれば、上述した第6の実施形態と同様の作用、効果を有する。
次に、第8の実施形態について図12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12においては、図6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8の実施形態におけるパワーモジュール用基板50は、一方の高熱伝導体層3a、3bの表面をNiメッキ層26で被覆したCu製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層4としてAl製のヒートシンクが配置されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板50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4としてAl製のヒートシンクを配置することで、効率よく放熱することができる。
次に、第9の実施形態について図13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13においては、図7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55は、一方の高熱伝導体層3a、3bとして表面をNiメッキ層26で被覆したCu製の回路層及びCu製の端子部材が配置され、他方の高熱伝導体層4として表面がNiメッキ層26で被覆されたAlなどからなる薄板が配置されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板55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される。
次に、第10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14においては、図7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60は、一方の高熱伝導体層3a、3bとして表面をNiメッキ層26で被覆したCu製のヒートブロックが配置され、他方の高熱伝導体層4として表面をNiメッキ層26で被覆したAlなどからなる薄板が配置されている。
高熱伝導体層3aの表面には、ハンダ層41を介して半導体チップ42が実装されており、半導体チップ42の表面と高熱伝導体層3bの表面とをAlワイヤ61で接続されている。また、高熱伝導体層4の下面に放熱板62が接合されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板60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、半導体チップ42と高熱伝導体層3bとがAlワイヤ61によって電気的に接続されると共に、半導体チップ42で生じた熱を高熱伝導体層4に効率よく伝導させて放熱板62で効率よく放熱させる。
次に、第11の実施形態について図15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15においては、図14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65は、放熱板62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66を用いてヒートシンク67が取り付けられている。
このように構成されたパワーモジュール用基板65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42で生じた熱を放熱板62及びヒートシンク67で効率よく放熱させる。
次に、第12の実施形態について図16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16においては、図14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12の実施形態におけるパワーモジュール用基板70は、上フランジ部71a及び下フランジ部71bを備える付勢部材71を有している。この付勢部材71は、上フランジ部71aを高熱伝導体層3a、3bの外縁部に当接させ、下フランジ部71bをヒートシンク67に当接させて高熱伝導体層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62を用いてヒートシンク67に取り付けられている。
このように構成されたパワーモジュール用基板70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、付勢部材71によって高熱伝導体層4とヒートシンク67との接触が良好となり、半導体チップ42で生じた熱をヒートシンク67で効率よく放熱させることができる。
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、接合層は、絶縁抵抗が1010Ω・cm以上、融点が450〜600℃であればよく、アクリル熱圧着テープやエポキシやポリイミド、PBI(ポリベンズイミダゾール)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PAI(ポリアミドイミド)、各種の熱硬化性樹脂を用いてもよい。
また、接合層として、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相を用いてもよい。接合層として用いられる材料は、連続使用温度250℃以上に耐え得る温度(ハンダの融点温度以上)のガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相が好ましい。例えば、ガラス系としては、PbO−B系、Bi−B系、P系、TeO系などの低軟化ガラス系が望ましく、分散するセラミック粒子としては、アルミナ、ジルコン、ムライト、チタニアなどの低熱膨張酸化物が望ましい。
また、絶縁性高熱伝導硬質粒子として用いられる材料は、絶縁抵抗が接合層と同様に1010Ω・cm以上、熱伝導率が50W/mK以上であると共に硬度が高熱伝導体層よりも高いものであればよく、ダイヤモンドに限らず、SiC、Si、AlN、BNなどを用いてもよい。ここで、上述と同様に、熱伝導率がAlより高い150W/mK以上であることが好ましく、絶縁性高熱伝導硬質粒子の硬度が高熱伝導体層の硬さの10倍以上(例えば、高熱伝導体層3、4をHv50〜100の純金属で構成した場合にはHv500〜1000の硬さ)よりも高いことが好ましい。
また、高熱伝導体層として用いられる材料は、絶縁性高熱伝導硬質粒子よりも硬度が低く、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。ただし、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。
この発明によれば、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、安定した性能を長期にわたって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並びに絶縁伝熱構造体の製造方法に関して、産業上の利用可能性が認められる。
本発明の第1の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す概略断面図である。 図1の絶縁体層におけるダイヤモンド粒子の配置状態を示す概略平面図である 図1の絶縁伝熱構造体の製造方法を示す説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の他の製造方法を示す説明図である。 図1の絶縁体層におけるダイヤモンド粒子の他の配置状態を示す概略平面図である。 本発明の第2の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第3の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第4の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第5の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第6の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第7の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第8の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第9の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第10の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第11の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。 本発明の第12の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
符号の説明
1 絶縁伝熱構造体
2 絶縁体層
3、4 高熱伝導体層
5 接合層
6 ダイヤモンド粒子(絶縁性高熱伝導硬質粒子)
6A、6B 粒子群
9 感光性樹脂層
9A 粘着部位
9B 粘着部位群
20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70 パワーモジュール用基板
26 Niメッキ層(ニッケルメッキ層)
42 半導体チップ
62 放熱体
67 ヒートシンク
71 密接部材
M マスク板(マスク部材)
Ma 貫通孔
Mb 貫通孔群

Claims (25)

  1. 絶縁体層と、該絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層とを備え、
    前記絶縁体層が、接合層と、前記高熱伝導体層に突出されている絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、
    前記接合層の面内方向の一方向で前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔に複数配置した粒子群が、前記面内方向の前記一方向は異なる方向に等間隔で複数配置されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
  2. 前記粒子群を形成する前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記一方向で0.1mm以上5.0mm以下の間隔で配置されていると共に、
    前記粒子群が、前記一方向とは異なる方向で0.1mm以上5.0mm以下の間隔で配置されていることを特徴とする請求項1に記載の絶縁伝熱構造体。
  3. 絶縁体層と、該絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層とを備え、
    前記絶縁体層が、接合層と、前記高熱伝導体層に突出されている絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、
    前記接合層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔に複数配置した粒子群が、前記一点を中心とした同心円状に前記基準円の半径方向に等間隔で複数配置されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
  4. 前記粒子群を形成する前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記周方向で0.1mm以上5.0mm以下の間隔で配置されていると共に、
    前記粒子群が、前記基準円の半径方向で0.1mm以上5.0mm以下の間隔で配置されていることを特徴とする請求項3に記載の絶縁伝熱構造体。
  5. 一方の前記高熱伝導体層の上面に発熱体を搭載する発熱体搭載予定部が形成され、
    前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記発熱体搭載予定部と対向するように配置されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体。
  6. 前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、ダイヤモンド、SiC、Si、AlNあるいはBNによって構成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体。
  7. 前記接合層が、耐熱性樹脂によって形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体。
  8. 前記接合層が、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相によって形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体。
  9. 前記高熱伝導体層が、Al、Cu、AgまたはAuで構成されていることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体。
  10. 前記高熱伝導体層の一方に、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請求項1から9のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体。
  11. 前記回路が形成された高熱伝導体層が、前記絶縁体層の一面に分割して形成されていることを特徴とする請求項10に記載の絶縁伝熱構造体。
  12. 少なくとも2つ形成された前記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請求項11に記載の絶縁伝熱構造体。
  13. 前記回路が構成された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請求項10から12のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体。
  14. 前記高熱伝導体層のうちの一方が、放熱体であることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体。
  15. 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請求項1から14のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体。
  16. 請求項1から15のいずれか1項に記載の絶縁伝熱構造体と、前記高熱伝導体層の上面に設けられた半導体チップとを備えることを特徴とするパワーモジュール用基板。
  17. 他の前記高熱伝導体層の下面に放熱板が接合されていることを特徴とする請求項16に記載のパワーモジュール用基板。
  18. ヒートシンクが設けられていることを特徴とする請求項16または17に記載のパワーモジュール用基板。
  19. 前記絶縁伝熱構造体を前記ヒートシンクに対して付勢させる付勢部材を備えることを特徴とする請求項18に記載のパワーモジュール用基板。
  20. 高熱伝導体層の一面に接合層を設ける接合層形成工程と、
    該接合層の上面に、該接合層の面方向の一方向で絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔で配置して粒子群を形成すると共に、該粒子群を前記接合層の面方向の前記一方向とは異なる方向で等間隔に配置する粒子配置工程と、
    前記高熱伝導体層との間に前記接合層及び前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を介在させるように他の高熱伝導体層を配置した状態で、加熱、加圧し、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を前記両高熱伝導体層に突き出させる加熱加圧工程と、を備えることを特徴とする絶縁伝熱構造体の製造方法。
  21. 前記粒子配置工程が、前記接合層上に、面方向の一方向で等間隔であると共に前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径とほぼ同一である複数の貫通孔によって構成される貫通孔群が前記面方向の前記一方向とは異なる方向で等間隔に複数形成されたマスク部材を配置し、
    前記複数の貫通孔に、前記高熱伝導硬質粒子を通過させて前記接合層上に配置することを特徴とする請求項20に記載の絶縁伝熱構造体の製造方法。
  22. 前記粒子配置工程が、前記接合層上に、紫外線を照射することで粘着性が変化する感光性樹脂層を形成し、
    該感光性樹脂層に紫外線を照射して、該感光性樹脂層の面方向の一方向に等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位によって構成される粘着部位群を前記面方向の前記一方向とは異なる方向で等間隔に複数形成し、
    前記複数の粘着部位群を構成する複数の粘着部位のそれぞれに前記高熱伝導硬質粒子を粘着固定させて前記接合層上に配置することを特徴とする請求項20に記載の絶縁伝熱構造体の製造方法。
  23. 高熱伝導体層の一面に接合層を設ける接合層形成工程と、
    該接合層の上面に、該接合層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔で配置して粒子群を形成すると共に、該粒子群を前記一点を中心とした同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数配置する粒子配置工程と、
    前記高熱伝導体層との間に前記接合層及び前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を介在させるように他の高熱伝導体層を配置した状態で、加熱、加圧し、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を前記両高熱伝導体層に突き出させる加熱加圧工程と、を備えることを特徴とする絶縁伝熱構造体の製造方法。
  24. 前記粒子配置工程が、前記接合層上に、面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔であると共に前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径とほぼ同一である複数の貫通孔によって構成される貫通孔群が前記一点を中心として同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数形成されたマスク部材を配置し、
    前記複数の貫通孔に、前記高熱伝導硬質粒子を通過させて前記接合層上に配置することを特徴とする請求項23に記載の絶縁伝熱構造体の製造方法。
  25. 前記粒子配置工程が、前記接合層上に、紫外線を照射することで粘着性が変化する感光性樹脂層を形成し、
    該感光性樹脂層に紫外線を照射して、該感光性樹脂層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位によって構成される粘着部位群を前記一点を中心として同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数形成し、
    前記複数の粘着部位群を構成する複数の粘着部位のそれぞれに前記高熱伝導硬質粒子を粘着固定させて前記接合層上に配置することを特徴とする請求項23に記載の絶縁伝熱構造体の製造方法。
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