JP2018142569A - 放熱基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度上昇に伴う応力発生に対応可能であり、また熱伝導率にも優れた放熱基板を提供する。【解決手段】放熱基板１０は、Ｃｕ−Ｃ複合材１１と、Ｃｕ−Ｃ複合材１１の表側に順に形成されたＡｌＮ層１２及びＣｕ層１３と、Ｃｕ−Ｃ複合材１１の裏側に形成されたＣｕ層１４とからなり、表側のＣｕ層１３にＩＣチップ２０が接合され、裏側のＣｕ層１４に冷却板３０が接合される。ＡｌＮ層１２、Ｃｕ層１３及びＣｕ層１４は薄膜状であることが好ましい。【選択図】図２
Description
本発明は、ＩＧＢＴ等のＩＣチップを搭載する放熱基板に関するものである。
従来、ＩＧＢＴ等のＩＣチップを搭載し、ＩＣチップから発生する熱を放熱させるために放熱基板が用いられている。
図３は、従来例に係る放熱基板に半導体２０を搭載した状態を示す断面図である。この放熱基板は、Ｃｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）からなる冷却板３０の表側に、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミック層１００をロウ材４０によりロウ付け（又はハンダ付け）し、その上にＳｉ半導体やＳｉＣ半導体からなるＩＣチップ２０をロウ材４０によりロウ付け（又はハンダ付け）したものである。そして、セラミック層１００により絶縁を確保しながら、ＩＣチップ２０から発生する熱を冷却板３０へと放出している。
一方、放熱基板に関する発明として特許文献１には、エアロゾルデポジション法による回路基板の製造方法に関する発明が記載されている。エアロゾルデポジション法は、微粒子、超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に噴射して被膜を形成する技術である。
しかしながら、図３に示す従来例に係る放熱基板は、ＩＣチップ２０、セラミック層１００及び冷却板３０の熱膨張率の違いにより、ＩＣチップ２０から発生する熱によりロウ付け部分（又はハンダ付け部分）が剥離してしまうという問題があった。すなわち、ＩＣチップ２０の半導体材料となるＳｉ（ケイ素）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）の熱膨張率や、セラミック層１００のＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）の熱膨張率と比べて、冷却板３０の材料となるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）の熱膨張率は非常に大きく、温度上昇に伴う冷却板３０の延びによる応力発生にロウ付け部分が対応できなくなるのである。
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、温度上昇に伴う応力発生に対応可能であり、また熱伝導率にも優れた放熱基板を提供するものである。
上記課題を解決するため、本発明の放熱基板は、Ｃｕ−Ｃ複合材と、前記Ｃｕ−Ｃ複合材の表側に順に形成されたＡｌＮ層及びＣｕ層と、前記Ｃｕ−Ｃ複合材の裏側に形成されたＣｕ層とからなり、前記表側のＣｕ層にＩＣチップが接合され、前記裏側のＣｕ層に冷却板が接合されることを特徴とする。
また好ましくは、前記Ｃｕ−Ｃ複合材の裏側にＣｕ層が形成されておらず、前記Ｃｕ−Ｃ複合材の裏側に直接冷却板が接合されることを特徴とする。
また好ましくは、前記ＡｌＮ層が薄膜状であることを特徴とする。
また好ましくは、前記表側のＣｕ層及び前記裏側のＣｕ層の少なくとも１つが薄膜状であることを特徴とする。
また好ましくは、前記ＩＣチップがＳｉＣであり、前記冷却板がＣｕであることを特徴とする。
本発明の放熱基板は、Ｃｕ−Ｃ複合材と、Ｃｕ−Ｃ複合材の表側に順に形成されたＡｌＮ層及びＣｕ層と、Ｃｕ−Ｃ複合材の裏側に形成されたＣｕ層とからなり、表側のＣｕ層にＩＣチップが接合され、裏側のＣｕ層に冷却板が接合されるようになっている。Ｃｕ−Ｃ複合材の熱膨張率は、銅と炭素との混合割合によって異なるが、ＩＣチップの材料の熱膨張率と、冷却板の材料の熱膨張率との間となるように調整することができる。従って、温度上昇によるＩＣチップと冷却板との間の応力発生に対応する緩衝材として機能して、ＩＣチップや冷却板の剥離を防止することができる。また、Ｃｕ−Ｃ複合材は熱伝導率も大きく、ＩＣチップから発生する熱を冷却板にうまく逃がすことができる。また、ＡｌＮ層は絶縁層として機能し、Ｃｕ層はＩＣチップや冷却板との接合を容易にする。
また、Ｃｕ−Ｃ複合材の裏側にＣｕ層が形成されておらず、Ｃｕ−Ｃ複合材の裏側に直接冷却板が接合される場合には、積層構造を薄くして放熱基板全体の熱伝導率を上げて、ＩＣチップから冷却板への放熱を、よりスムーズに行うことができる。
また、ＡｌＮ層が薄膜状である場合には、積層構造を薄くして放熱基板全体の熱伝導率を上げて、ＩＣチップから冷却板への放熱を、よりスムーズに行うことができる。さらに、ＡｌＮ材料のコスト面でも有利である。
また、表側のＣｕ層及び裏側のＣｕ層の少なくとも１つが薄膜状である場合には、積層構造を薄くして放熱基板全体の熱伝導率を上げて、ＩＣチップから冷却板への放熱を、よりスムーズに行うことができる。さらに、Ｃｕ材料のコスト面でも有利である。
また、ＩＣチップがＳｉＣであり、冷却板がＣｕである場合には、温度上昇が著しいＳｉＣのＩＣチップに対して、温度上昇時に軟化しにくいＣｕの冷却板を用いて冷却することができる。
このように、本発明によれば、温度上昇に伴う応力発生に対応可能であり、また熱伝導率にも優れた放熱基板を提供することができる。
次に、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る放熱基板について説明する。図１は、本実施形態に係る放熱基板１０を示す断面図である。なお、以下に示す図面において、説明のために各層の厚みを実際とは異なる厚みで表示している。
放熱基板１０は、Ｃｕ−Ｃ複合材１１、ＡｌＮ層１２、Ｃｕ層（銅層）１３及びＣｕ層１４から構成されている。ＡｌＮ層１２及びＣｕ層１３は、Ｃｕ−Ｃ複合材１１の表側に順に形成されている。すなわち、Ｃｕ−Ｃ層１１の表側にまずＡｌＮ層１２が形成され、形成されたＡｌＮ層１２の表側にＣｕ層１３が形成されている。また、Ｃｕ層１４は、Ｃｕ−Ｃ複合材１１の裏側に形成されている。
Ｃｕ−Ｃ複合材１１は、銅粉と黒鉛とを混合して焼結することにより得られる。黒鉛として、天然黒鉛を用いることが好ましい。さらに、鱗片状天然黒鉛を用いることがより好ましい。
Ｃｕ−Ｃ複合材料１１の混合割合については、目標とする熱膨張率、熱伝導率に応じて調整することができる。熱膨張率に関して、本発明者らの測定では、Ｃｕの割合が少なくなるほど熱膨張率は小さくなるという結果が得られた。測定は、温度１００度及び２５０度で実施し、測定結果は、Ｃｕ−Ｃ複合材中のＣｕ量（Ｖｏｌ％：体積パーセント）が１０〜３０％の範囲において、熱膨張率（１０−６／Ｋ）は２〜１０の範囲であった。
一方、熱伝導率に関して、本発明者らの測定では、黒鉛の割合が多くなるほど熱伝導率が大きくなる傾向にあったが、Ｃｕ−Ｃ複合材中の黒鉛量（Ｖｏｌ％：体積パーセント）が多くなりすぎると低下するという結果が得られた。これは、黒鉛量が多くなり過ぎると、黒鉛同士の隙間が多くなり、これを埋めるためのＣｕが不足するためと考えられる。
このように、Ｃｕ−Ｃ複合材料１１の混合割合によって、熱膨張率及び熱伝導率を調整することができるので、後述するＩＣチップ及び冷却板に応じて、適切な混合割合とすることができる。
また、ＡｌＮ層１２は絶縁層として機能するものであり、ＡｌＮの基板（薄板）とすることもできるが、薄膜状に形成することが好ましい。ＡｌＮ層１２を薄膜状とすることにより、積層構造を薄くして放熱基板１０全体の熱伝導率を上げて、ＩＣチップから冷却板への放熱を、よりスムーズに行うことができる。さらに、ＡｌＮ材料のコスト面でも有利である。
また、Ｃｕ層１３及びＣｕ層１４は、後述するＩＣチップや冷却板との接合を容易にするためのものであり、Ｃｕの基板（薄板）とすることもできるが、Ｃｕ層１３及びＣｕ層１４の少なくとも１つを薄膜状に形成することが好ましい。Ｃｕ層１３及びＣｕ層１４の少なくとも１つを薄膜状とすることにより、積層構造を薄くして放熱基板１０全体の熱伝導率を上げて、ＩＣチップから冷却板への放熱を、よりスムーズに行うことができる。さらに、Ｃｕ材料のコスト面でも有利である。
ＡｌＮ層１１、Ｃｕ層１３及びＣｕ層１４を基板（薄板）とした場合の厚みが、例えば各々３００μｍ以上であるのに対して、薄膜状とした場合の厚みは、例えば各々１０〜１５μｍ程度である。
ＡｌＮ層１１、Ｃｕ層１３及びＣｕ層１４を薄膜状に形成する方法としては、公知技術である、メッキ、メタライズ法、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）が挙げられる。このうちエアロゾルデポジション法は、微粒子、超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に噴射して被膜を形成する技術であり、強固な薄膜を形成する方法として好ましい。エアロゾルデポジション法の具体的な方法は、上述の特許文献１の他、公知技術として開示されている。
図２は、本発明の実施形態に係る放熱基板１０にＩＣチップ２０及び冷却板３０を接合した状態を示す断面図である。放熱基板１０の表側のＣｕ層１３には、ＩＣチップ２０がロウ材４０によりロウ付けされている。また、放熱基板１０の裏側のＣｕ層１４には、冷却板３０がロウ材４０によりロウ付けされている。ＩＣチップ２０の半導体材料はＳｉやＳｉＣであり、冷却板３０の材料はＣｕやＡｌである。そして、ＡｌＮ層１２により絶縁を確保しながら、ＩＣチップ２０から発生する熱を冷却板３０へと放出するようになっている。
ここで、放熱基板１０の作用効果について説明する。ＩＣチップ２０の半導体材料となるＳｉ（ケイ素）やＳｉＣ（炭化ケイ素）の熱膨張率と比べて、冷却板３０の材料となるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）の熱膨張率は非常に大きく、そのままでは温度上昇に伴う冷却板３０の延びによる応力発生にロウ付け部分が対応できなくなる。これに対して、本実施形態に係る放熱基板１０の熱膨張率の値は、前述のようにＣｕ−Ｃ複合材料１１の混合割合によって、両者の間の数値となるように調整することができる。そのため、放熱基板１０を両者の間に配置することにより、緩衝材の役割とすることができるのである。
Ｃｕ−Ｃ複合材１１は、銅粉と黒鉛を焼結により一体化したものであるが、ＣｕとＣが化学的に結合したものではない。従って、温度上昇に伴う応力が発生しても、部分的に亀裂が発生しながら延びることができるため、全体が割れてしまうことはない。
さらに、近年ＩＣチップ２０として性能向上のためにＳｉＣが用いられるが、ＳｉＣはＳｉと比べて発生する熱が高い。そのため、冷却板３０としてアルミニウムを用いると軟化してしまうという問題がある、これに対しては、冷却板３０をＣｕとすることで対応することができる。
なお、放熱基板１０は、図３に示す他の実施形態のように、Ｃｕ−Ｃ複合材１１の裏側にＣｕ層１４を形成しない構成とすることもできる。そして、図４に示すように、放熱基板１０の裏側に直接冷却板３０を接合する。このとき、Ｃｕ−Ｃ複合材１１のＣｕ成分を増やすことにより、冷却板３０接合が容易になる。特に、冷却板３０がＣｕであれば、より接合しやすい。このような構成の場合には、Ｃｕ層１４を形成しない分だけ積層構造が薄くなるので、放熱基板１０全体の熱伝導率を上げて、ＩＣチップから冷却板への放熱を、よりスムーズに行うことができる。
本実施形態に係る放熱基板１０は、Ｃｕ−Ｃ複合材１１と、Ｃｕ−Ｃ複合材１１の表側に順に形成されたＡｌＮ層１２及びＣｕ層１３と、Ｃｕ−Ｃ複合材１１の裏側に形成されたＣｕ層１４とからなり、表側のＣｕ層１３にＩＣチップ２０が接合され、裏側のＣｕ層１４に冷却板３０が接合されるようになっている。Ｃｕ−Ｃ複合材１１の熱膨張率は、銅と炭素との混合割合によって異なるが、ＩＣチップ２０の材料の熱膨張率と、冷却板３０の材料の熱膨張率との間となるように調整することができる。従って、温度上昇によるＩＣチップ２０と冷却板３０との間の応力発生に対応する緩衝材として機能して、ＩＣチップ２０や冷却板３０の剥離を防止することができる。また、Ｃｕ−Ｃ複合材１１は熱伝導率も大きく、ＩＣチップ２０から発生する熱を冷却板３０にうまく逃がすことができる。また、ＡｌＮ層１２は絶縁層として機能し、Ｃｕ層１３，１４はＩＣチップ２０や冷却板３０との接合を容易にする。
また、Ｃｕ−Ｃ複合材１１の裏側にＣｕ層１４が形成されておらず、Ｃｕ−Ｃ複合材１１の裏側に直接冷却板３０が接合される場合には、積層構造を薄くして放熱基板１０全体の熱伝導率を上げて、ＩＣチップ２０から冷却板３０への放熱を、よりスムーズに行うことができる。
また、ＡｌＮ層１２が薄膜状である場合には、積層構造を薄くして放熱基板１０全体の熱伝導率を上げて、ＩＣチップ２０から冷却板３０への放熱を、よりスムーズに行うことができる。さらに、ＡｌＮ材料のコスト面でも有利である。
また、表側のＣｕ層１３及び裏側のＣｕ層１４の少なくとも１つが薄膜状である場合には、積層構造を薄くして放熱基板１０全体の熱伝導率を上げて、ＩＣチップ２０から冷却板３０への放熱を、よりスムーズに行うことができる。さらに、Ｃｕ材料のコスト面でも有利である。
また、ＩＣチップ２０がＳｉＣであり、冷却板３０がＣｕである場合には、温度上昇が著しいＳｉＣのＩＣチップ２０に対して、温度上昇時に軟化しにくいＣｕの冷却板３０を用いて冷却することができる。
このように、本実施形態に係る放熱基板１０は、温度上昇に伴う応力発生に対応可能であり、また熱伝導率にも優れている。
以上、本発明の実施形態に係る放熱基板について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるわけではなく、その他種々の変更が可能である。
１０ 放熱基板
１１ Ｃｕ−Ｃ複合材
１２ ＡｌＮ層
１３ Ｃｕ層
１４ Ｃｕ層
２０ ＩＣチップ
３０ 冷却板
４０ ロウ材
１００ セラミック層
１１ Ｃｕ−Ｃ複合材
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Claims (5)
- Ｃｕ−Ｃ複合材と、前記Ｃｕ−Ｃ複合材の表側に順に形成されたＡｌＮ層及びＣｕ層と、前記Ｃｕ−Ｃ複合材の裏側に形成されたＣｕ層とからなり、
前記表側のＣｕ層にＩＣチップが接合され、前記裏側のＣｕ層に冷却板が接合されることを特徴とする放熱基板。 - 前記Ｃｕ−Ｃ複合材の裏側にＣｕ層が形成されておらず、前記Ｃｕ−Ｃ複合材の裏側に直接冷却板が接合されることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
- 前記ＡｌＮ層が薄膜状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放熱基板。
- 前記表側のＣｕ層及び前記裏側のＣｕ層の少なくとも１つが薄膜状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１つに記載の放熱基板。
- 前記ＩＣチップがＳｉＣであり、前記冷却板がＣｕであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１つに記載の放熱基板。
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