JP4407509B2 - 絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板 - Google Patents

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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、半導体チップ等の電子部品、電子部品が実装される回路基板等の発熱体とヒートシンク、ヒートブロック等の放熱体との間に介装される絶縁伝熱構造体及びその製造方法に関するものである。
従来、図２３に示すように、ＤＢＡ（Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ）、ＤＢＣ（Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ）等からなる絶縁基板３１の一方の面にはんだ層３２を介して半導体チップ等の電子部品３３を実装し、絶縁基板３１の他方の面にはんだ層３２を介してＡｌＳｉＣ、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ等からなる放熱板３４を接合し、放熱板３４に熱伝導グリース層３５を介してＡｌ、Ｃｕからなるヒートシンク３６を接合したパワーモジュール用基板３０が知られている。
このような構成のパワーモジュール用基板３０にあっては、半導体チップ等の電子部品３３から発生する熱を放熱板３４を介してヒートシンク３６に伝達させて放散させることにより、半導体チップ等の電子部品３３に作用する熱負荷を軽減させることができるものである。
ところで、上記のような構成のパワーモジュール用基板３０ａにあっては、放熱板３４とヒートシンク３６との間に熱伝導グリース層３５を介装させて熱伝導性を高めているが、熱伝導グリース層３５では熱抵抗を充分に低減させることができず、半導体チップ等の電子部品３３の熱を効率良く伝導させて放散させることができない。
一方、上記のような問題に対処するため、図２４及び図２５に示すように、絶縁基板３１と放熱板３４との間、及び放熱板３４とヒートシンク３６との間をろう付け層３７を介して接合することにより、熱抵抗を低減させるように構成したパワーモジュール用基板３０ｂ、３０ｃが知られている。
しかし、絶縁基板３１の熱膨張率（７×１０−６／Ｋ）、放熱板３４の熱膨張率（１０〜１５×１０−６／Ｋ）、及びヒートシンク３６の熱膨張率（Ａｌ：２３×１０−６／Ｋ、Ｃｕ：１５〜１６×１０−６／Ｋ）がそれぞれ異なることから、ろう付け作業後の冷却過程、実使用時の温度サイクル等による熱変形によって、絶縁基板３１と放熱板３４との間及び、放熱体とヒートシンクとの間に剥離、亀裂等が生じてしまう。
特開平１−２８６３４８号公報
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、発熱体側の熱を効率良く放熱体側に伝導させて放散させることができるとともに、温度サイクル等の作用によって熱変形を受けても、接合部に剥離、亀裂等が生じることがなく、安定した性能を長期的に発揮することができる絶縁伝熱構造体及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
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ている。
すなわち、本発明の絶縁伝熱構造体は、接合層と前記接合層よりも熱伝導率の高い第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁体層の両側に前記接合層よりも熱伝導率の高い高熱伝導体層が配置される絶縁伝熱構造体であって、前記第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の一部が前記高熱伝導体層に貫入しており、前記絶縁体層の一方に形成された前記高熱伝導体層には、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。
本発明による絶縁伝熱構造体によれば、絶縁体層の絶縁性高熱伝導硬質粒子を介して一方の高熱伝導体層からの熱が他方の高熱伝導体層側に伝導されることになる。なお、本明細書において、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の一部が高熱伝導体層に貫入しているとは、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の一部が高熱伝導体層に対して突き出されていることを意味する。
また、本発明による絶縁伝熱構造体によれば、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高熱伝導体層から他の高熱伝導体層に伝導する。
本発明の絶縁伝熱構造体は、前記第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の両端部が前記高熱伝導体層に貫入していることを特徴とする。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、一方の高熱伝導体層と他方の高熱伝導体層とが第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子によって連通することになり、絶縁体層の絶縁性高熱伝導硬質粒子を介して一方の高熱伝導体層からの熱が他方の高熱伝導体層側に伝導されることになる。
本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層に貫入させられた前記第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の貫入深さが、前記高熱伝導体層の厚み以下であることを特徴とする。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子と高熱伝導体層とが面接触することになり、高熱伝導体層に生じた熱が絶縁性高熱伝導硬質粒子に熱移動するための経路が高熱伝導体層を貫通することなく確保される。
本発明の絶縁伝熱構造体は、前記貫入深さが、前記第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の平均粒子径の０．０５倍以上であることを特徴とする。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、高熱伝導体層に生じた熱が絶縁性高熱伝導硬質粒子に熱移動するための経路が確実に確保される。
本発明の絶縁伝熱構造体は、前記貫入深さが、前記絶縁体層の厚みの半分以上であることを特徴とする。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、高熱伝導体層に生じた熱が絶縁性高熱伝導硬質粒子に熱移動するための経路がより確実に確保される。
本発明の絶縁伝熱構造体は、前記絶縁体層内に第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子よりも小径であり、かつ前記接合層よりも熱伝導率の高い第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子が分散配置されていることを特徴とする。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子によっても高熱伝導体層に発生する熱が他方の高熱熱伝導体層に熱伝導することになり、さらに、使用時において、温度サイクルが繰り返し変動することになっても、高熱伝導体層と絶縁体層との剥離が防止される。
本発明の絶縁伝熱構造体は、前記絶縁体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。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、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。
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で構成されていることを特徴とする。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、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。
本発明の絶縁伝熱構造体は、前記回路が構成された高熱伝導体層が、前記絶縁体層の一面に少なくとも１つ形成されていることを特徴とする。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、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。
本発明の絶縁伝熱構造体は、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。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、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。
本発明の絶縁伝熱構造体は、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。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、ニッケルメッキ層によってはんだ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。
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、放熱体であることを特徴とする。
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、放熱体によって効率よく放熱することができる。
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を特徴とする
この発明に係る絶縁伝熱構造体によれば、端子構造を介して他の電子回路等と接続される。
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の前記高熱伝導体層の上面に半導体チップが設けられたことを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、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。
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の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。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、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。
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たことを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、半導体チップに生じる熱が絶縁伝熱構造体を介してヒートシンクに伝達されることから、温度が上がりにくいので、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ことになる。
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を特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、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。
この発明に係る絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板によれば、使用時に温度サイクルが繰り返し作用しても、絶縁層が弾性を有することから高熱伝導体層と絶縁体層との間に剥離、亀裂等が生じるようなことはなく、長期的に安定した放熱性能を発揮することができる。
以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明による絶縁伝熱構造体の第１の実施の形態が示されていて、この絶縁伝熱構造体１は、絶縁体層２と、絶縁体層２の両側に配置される高熱伝導体層６、７とを備えている。
高熱伝導体層６、７は、電気伝導体としての特性を有するものであって、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上の金属を材料として薄板状等に形成される。高熱伝導体層６、７は、後述する絶縁体層２の両側に位置した状態でプレス等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。
高熱伝導体層６、７は、絶縁体層２の両側に配置したときに、絶縁体層２を構成する絶縁性高熱伝導硬質粒子４の一部を貫入させる必要があることから、絶縁性高熱伝導硬質粒子４よりも柔らかい材料によって形成される。高熱伝導体層６、７を構成する材料としては、例えば、ビッカース硬さが５０〜１００Ｈｖの純金属（Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）それらの合金等を挙げることができる。但し、これらに限定することなく、同様の特性を有する純金属、合金等であれば良い。
絶縁体層２は、高熱伝導体層６、７間を一体に接続する絶縁性、耐熱性及び弾性を有する接合層３と、接合層３に混入又は貼着される絶縁性、高熱伝導性、硬質性を有する絶縁性高熱伝導硬質粒子４とから構成され、絶縁性高熱伝導硬質粒子４の高熱伝導体６、７側に位置している部分が高熱伝導体６、７側に貫入される。
接合層３としては、絶縁抵抗が１０１０Ω・ｃｍ以上、融点が４５０〜６００℃（連続使用温度２５０℃以上に耐え得る温度（はんだの融点温度以上））の材料が好ましい。例えば、樹脂質としては、エポキシ、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等が挙げられる。
絶縁性高熱伝導硬質粒子４としては、絶縁抵抗が接合層３と同様に１０１０Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上（Ａｌ２Ｏ３より高い）、硬さが高熱伝導体層６、７よりも硬く、好ましくは高熱伝導体層６、７の硬さの１０倍以上（高熱伝導体層６、７を５０〜１００Ｈｖの純金属で構成した場合には５００〜１０００Ｈｖの硬さ）の硬さを有するものが好ましい。絶縁性高熱伝導硬質粒子４の平均粒径は１００ｍｅｓｈ（１５０μｍ）とする。これらの条件を満たす絶縁性高熱伝導硬質粒子４としては、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＢＮ等が挙げられる。
絶縁性高熱伝導硬質粒子４は、絶縁体層２の両側に高熱伝導体層６、７を配置し、高熱伝導体層６、７をプレス等により加圧したときに、高熱伝導体層６、７側に位置している部分が高熱伝導体層６、７内に貫入される。
この場合、図２に示すように、接合層３の厚さをＴ、絶縁性高熱伝導硬質粒子４の平均粒子径をＤ、絶縁性高熱伝導硬質粒子４の高熱伝導体層６、７への貫入深さをＬとしたときに、貫入深さＬ≧０．０５Ｄの条件を満たすように、絶縁体層２の両側に高熱伝導体層６、７が配置されている。貫入深さＬは、接合層３の絶縁性が確保できる範囲内に設定される。なお、貫入深さＬは、絶縁体層２の厚みの半分以上、高熱伝導体層６、７の厚み以下であることが望ましい。このようにすることで、高熱伝導体層６、７に生じた熱が絶縁性高熱伝導硬質粒子４へ移動するための経路がより確実に確保される。
絶縁体層２内における絶縁性高熱伝導硬質粒子４の量は、高熱伝導体層６、７と絶縁体層２との界面における絶縁性高熱伝導硬質粒子４の投影面積が５％以上となるように設定される。すなわち、絶縁体層２内において、絶縁性高熱伝導硬質粒子４が二重構造とならない量に設定される。
そして、上記のような構成の本実施の形態による絶縁伝熱構造体１を製造するには、まず、図３に示すように、ポリイミド製の両面接着テープからなる接合層３の両面に所定量のダイヤモンドの絶縁性高熱伝導硬質粒子４を貼着して絶縁体層２を構成する。
次に、絶縁体層２の両側にＡｌ（９９．９９％）製の薄板からなる高熱伝導体層６、７を配置し、この状態でプレス等により矢印方向から両高熱伝導体層６、７を加熱・加圧し、両高熱伝導体層６、７間を接合層３を介して一体に接合し、絶縁性高熱伝導硬質粒子４の高熱伝導体層６、７に対向している部分を高熱伝導体層６、７側に貫入させる。
このようにして、図４に示すように、絶縁体層２の両側に高熱伝導体層６、７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。なお、上記の場合、接合層３にアクリル熱圧着テープを使用しても良いし、エポキシ接着層を使用しても良い。エポキシ樹脂層を使用する場合には、絶縁性高熱伝導硬質粒子４の両側に高熱伝導体層６、７を配置した後に、両高熱伝導体層６、７間にアンダーフィル法等によって溶融樹脂を充填して硬化させれば良い。また、ダイヤモンドの絶縁性高熱伝導硬質粒子４の表面に図示はしないがＣｕメッキ又はＮｉメッキを施し、高熱伝導体層６、７との接合性を高めても良い。
そして、上記のように構成したこの実施の形態による絶縁伝熱構造体１の一方の高熱伝導体６を発熱体側として使用し、他方の高熱伝導体７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６側の熱が絶縁体層２の絶縁性高熱伝導硬質粒子４を介して他方の高熱伝導体７側に伝導されて放散されることになる。
この場合、高熱伝導体層６、７と絶縁体層２の絶縁性高熱伝導硬質粒子４とは略同一の熱伝導率を有し、しかも、両高熱伝導体層６、７間は弾性を有する接合層３によって一体に接合されているので、実使用時に温度サイクルが繰り返し作用しても、熱膨張率の差により高熱伝導体６、７と絶縁体層２との間に剥離、亀裂等が生じるようなことはなく、長期的に安定した放熱性能を発揮することができる。なお、上記の場合、図５に示すように、絶縁性高熱伝導硬質粒子４が付勢した状態で両高熱伝導体層６、７間に位置しても良いものであり、その場合にも同様の効果が得られるものである。
なお、本実施形態において、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、一方の高熱伝導体層７の一面に接合層３を配置し、その上に溶剤を塗布することで溶剤層８を形成する（図６（ａ））。次に、絶縁性高熱伝導硬質粒子４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Ｍを、接合層３から絶縁性高熱伝導硬質粒子４とほぼ同一の間隙を介して配置する（図６（ｂ））。ここで、貫通孔Ｍａは、例えば格子状のように、２方向で等間隔となるように形成されている。そして、マスク板Ｍの上から貫通孔Ｍａを介して絶縁性高熱伝導硬質粒子４を溶剤層８上に配置する（図６（ｃ））。その後、溶剤層８を乾燥させ（図６（ｄ））、加熱・加圧することで両高熱伝導体層６、７間を接合層３を介して一体に接合させ、絶縁性高熱伝導硬質粒子４の高熱伝導体層６、７に対向している部分を高熱伝導体層６、７側に貫入させる（図６（ｅ））。
以上のように製造して絶縁性高熱伝導硬質粒子４を、接合層３内で例えば格子状のように２方向で等間隔となるように配置することで、高熱伝導体層６、７内で両高熱伝導体層６、７間の熱伝導性に偏りが生じることを抑制すると共に、製造コストを低減する。
ここで、高熱伝導体層６の上に半導体チップを搭載する場合において、高熱伝導体層６の半導体チップが搭載される半導体チップ搭載予定部と対向する接合層３のみに絶縁性高熱伝導硬質粒子４を配置するようにマスクＭの貫通孔Ｍａを形成してもよい。このようにするとで、半導体チップで発熱した熱を、他の高熱伝導体層に効率よく伝導する。
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、一方の高熱伝導体層７の一面に接合層３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層９を形成する（図７（ａ））。次に、例えば格子状のように２方向で等間隔となるように貫通孔が形成されたマスクを用いて感光層９に対して紫外線を照射し、紫外線が照射された照射部位９Ａの粘着性を変化させる（図７（ｂ））。そして、感光層９の上に絶縁性高熱伝導硬質粒子４を配置させ（図７（ｃ））、加熱することで感光層９を消失させる（図７（ｄ））。その後、加熱・加圧することで両高熱伝導体層６、７間を接合層３を介して一体に接合させ、絶縁性高熱伝導硬質粒子４の高熱伝導体層６、７に対向している部分を高熱伝導体層６、７側に貫入させる（図７（ｅ））。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。また、上述と同様に、半導体チップが搭載される半導体チップ搭載予定部と対向する接合層３のみに絶縁性高熱伝導硬質粒子４を配置するように照射部位９Ａを形成してもよい。
図８には、本発明による絶縁伝熱構造体の第２の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示す絶縁伝熱構造体１は、絶縁体層２の接合層３内に第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５を混入させたものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様である。
すなわち、この実施の形態の絶縁伝熱構造体１は、絶縁体層２が接合層３と絶縁性高熱伝導硬質粒子４（以下、「第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４」という。）と第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５とから構成されている。
第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５は、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４と同様に、絶縁性、高熱伝導性、硬質性を有している。
第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５としては、絶縁抵抗が第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４と同様に１０１０Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上（Ａｌ２Ｏ３より高い）、硬さが高熱伝導体層６、７よりも硬く、好ましくは高熱伝導体層６、７の硬さの１０倍以上（高熱伝導体層６、７を５０〜１００Ｈｖの純金属で構成した場合には５００〜１０００Ｈｖの硬さ）の硬さを有するものが好ましい。第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５の平均粒径は、接合層３の厚さＴの１／５以下とする。含有率は、構成間の熱膨張の整合を図るために、２〜５０ｖｏｌ％（可撓性が必要な場合には微粉のものを微量添加）が好ましい。第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５は接合層３の全体に平均に分散させる。これらの条件を満たす第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５としては、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４と同様に、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＢＮ等が挙げられる。
なお、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４に用いる材料と第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５の用いる材料とは異なっていてもよく、例えば第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４としてダイヤモンドを用いて第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５としてＳｉＣを用いてもよい。
そして、上記のように構成したこの実施の形態による絶縁伝熱構造体１の一方の高熱伝導体６を発熱体側として使用し、他方の高熱伝導体７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６側の熱が絶縁体層２の第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４を介して他方の高熱伝導体７側に伝導されて放散されることになる。
この場合、高熱伝導体層６、７と絶縁体層２の第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４とは略同一の熱伝導率を有し、しかも、両高熱伝導体層６、７間は弾性を有する接合層３によって一体に接合され、さらに接合層３内に第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４と同一の熱伝導率を有する第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子５が分散されているので、実使用時に温度サイクルが繰り返し作用しても、熱膨張率の差により高熱伝導体６、７と絶縁体層２との間に剥離、亀裂等が生じるようなことはなく、長期的に安定した放熱性能を発揮することができる。
図９には、本発明によるパワーモジュール用基板の第３の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板１０は、絶縁体層２の上面側に一方の高熱伝導体層６であるＡｌ等からなる回路層を位置し、下面側に他方の高熱伝導体層７であるＡｌ等からなる薄板を位置し、加圧することにより両高熱伝導体層６、７間を絶縁体層２の接合層３を介して一体に接合し、絶縁体層２の第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４の一部を両高熱伝導体層６、７に貫入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１０においても、絶縁伝熱構造体１の一方の高熱伝導体層６側の熱を絶縁体層２の第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子４を介して他方の高熱伝導体層７側に効率良く伝導させて放散させることができ、温度差が小さいので、使用時に温度サイクルが繰り返し作用しても、熱膨張率の差により高熱伝導体層６、７と絶縁体層２との間に剥離、亀裂等が生じるようなことはなく、長期的に安定した放熱性能を発揮することができた。
図１０には、本発明によるパワーモジュール用基板の第４の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板１１は、一方の高熱伝導体層６としてＣｕ製のヒートブロックを用い、他方の高熱伝導体層７としてＡｌ等からなる薄板を用いたものであって、その他の構成は、前記第３の実施の形態に示すものと同様である。
このように構成されたパワーモジュール用基板１１においても、上述した第３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
図１１には、本発明によるパワーモジュール用基板１２の第５の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板１２は、一方の高熱伝導体層６としてＣｕ製の回路層を用い、他方の高熱伝導体層７としてＡｌ製のヒートブロックを用い、一方の高熱伝導体層である回路層の表面にはんだ層８を介して半導体チップ９を実装したものであって、その他の構成は、前記第３の実施の形態に示すものと同様である。
このように構成されたパワーモジュール用基板１２においても、上述した第３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
図１２には、本発明によるパワーモジュール用基板の第６の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板１３は、一方の高熱伝導体層６としてＣｕ製の回路層を用い、他方の高熱伝導体層７としてＡｌ製のヒートシンクを用いたものであって、その他の構成は、前記第５の実施の形態に示すものと同様である。
このように構成されたパワーモジュール用基板１３においても、上述した第３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
図１３には、本発明によるパワーモジュール用基板の第７の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板２０は、一方の高熱伝導体層６ａ、６ｂとして表面をニッケルメッキ層（以下、Ｎｉメッキ層と省略する）１４被覆したＡｌ等からなる回路層を用い、他方の高熱伝導体層７として表面をＮｉメッキ層１４で被覆したＡｌ等からなる薄板を用いたものであって、その他の構成は、前記第３の実施の形態に示すものと同様である。
このように構成されたパワーモジュール用基板２０においても、上述した第３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
図１４には、本発明によるパワーモジュール用基板の第８の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板２１は、一方の高熱伝導体層６ａ、６ｂとして表面をＮｉメッキ層１４で被覆したＣｕ製のヒートブロックを用いたものであって、その他の構成は、前記第７の実施の形態に示すものと同様である。
このように構成されたパワーモジュール用基板２１においても、上述した第３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
図１５には、本発明によるパワーモジュール用基板の第９の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板２２は、一方の高熱伝導体層６ａ、６ｂとして表面をＮｉメッキ層１４で被覆したＣｕ製の回路層を用い、他方の高熱伝導体層７としてＡｌ製のヒートシンクと用いたものであって、その他の構成は、前記第７の実施の形態に示すものと同様である。
このように構成されたパワーモジュール用基板２２においても、上述した第３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
図１６には、本発明によるパワーモジュール用基板の第１０の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板２３は、一方の高熱伝導体層６ａ、６ｂとして表面をＮｉメッキ層１４で被覆したＣｕ製の回路層及びＣｕ製の端子部材を用い、他方の高熱伝導体層７として表面をＮｉメッキ層１４で被覆したＡｌ等からなる薄板を用いたものであって、その他の構成は、前記第７の実施の形態に示すものと同様である。
このように構成されたパワーモジュール用基板２３においても、上述した第３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
図１７には、本発明によるパワーモジュール用基板の第１１の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板２４は、一方の高熱伝導体層６ａ、６ｂとして表面をＮｉメッキ層１４で被覆したＣｕ製のヒートブロックを用い、他方の高熱伝導体層７として表面をＮｉメッキ層１４で被覆したＡｌ等からなる薄板を用い、一方の高熱伝導体層６ａである回路層の表面にはんだ層８を介して半導体チップ９を実装し、半導体チップ９の表面と高熱伝導体層６ｂの表面とをＡｌワイヤ１５で接続し、高熱伝導体層７の下面に放熱板１６が接合したものであって、その他の構成は、前記第５の実施の形態に示すものと同様である。
このように構成されたパワーモジュール用基板２４においても、上述した第３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
図１８には、本発明によるパワーモジュール用基板の第１２の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板２５は、放熱板１６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１７を用いてヒートシンク１８を取り付けたものであって、その他の構成は、前記第１１の実施の形態に示すものと同様である。
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３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
図１９には、本発明によるパワーモジュール用基板の第１３の実施の形態が示されていて、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板２６は、上フランジ部１９ａ及び下フランジ部１９ｂを備える付勢部材１９を有しており、上フランジ部１９ａを高熱伝導体層６ａ、６ｂの外縁部に当接させ、下フランジ部１９ｂをヒートシンク１７に当接させて高熱伝導体層７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１８を用いてヒートシンク１７に取り付けたものであって、その他の構成は、前記第１１の実施の形態に示すものと同様である。
このように構成されたパワーモジュール用基板２６においても、上述した第３の実施の形態と同様の作用、効果を有する。
以下の条件の絶縁伝熱構造体の試料１、２を製造した。
＜試料１＞・両高熱伝導体層：厚み０．４ｍｍ、純アルミニウム板・絶縁体層の接合層：エポキシ樹脂（厚み：１５６μｍ）・第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子：ダイヤモンド（粒径：１５０μｍ）・第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の量：投影面積で５％以上＜試料２＞・両高熱伝導体層：厚み０．４ｍｍ、純アルミニウム板・絶縁体層の接合層：エポキシ樹脂（厚み：１１３μｍ）・第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子：ダイヤモンド（粒径：１５０μｍ）・第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の量：投影面積で５％以上
比較のために、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の無い絶縁伝熱構造体の試料３〜試料５を製造した。
＜試料３＞・両高熱伝導体層：厚み０．４ｍｍ、純アルミニウム板・絶縁体層の接合層：エポキシ樹脂（厚み：１２０μｍ）＜試料４＞・両高熱伝導体層：厚み０．４ｍｍ、純アルミニウム板・絶縁体層の接合層：エポキシ樹脂（厚み：５９μｍ）＜試料５＞・両高熱伝導体層：厚み０．４ｍｍ、純アルミニウム板・絶縁体層の接合層：エポキシ樹脂（厚み：２２μｍ）
そして、上記のような試料１〜５を用いて、レーザーフラッシュ法により熱伝導率の測定を行なった。その結果を図２０に示す。この結果から、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子を用いた本発明による絶縁伝熱構造体が熱伝導率に優れることが良く分かる。試料１よりも試料２の方が熱伝導率が高いのは、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の高熱伝導体層への貫入深さの相違によるものである。すなわち、試料１では、接合層の厚みよりも第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径の方が小さいのに対し、試料２では、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径よりも接合層の厚みが小さいからである。なお、第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の量は、図２１及び図２２に示すように、高熱伝導体層を塩化第二鉄溶液で除去し、絶縁体層２の表面を露出させて画像解析することにより求めた。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、使用時に温度サイクルが繰り返し作用しても、熱膨張率の差により高熱伝導体層と絶縁体層との間に剥離、亀裂等が生じるようなことはなく、長期的に安定した放熱性能を発揮することができるため、絶縁伝熱構造体及びその製造方法に関し、特に、半導体チップ等の電子部品、電子部品が実装される回路基板等の発熱体とヒートシンク、ヒートブロック等の放熱体との間に介装される絶縁伝熱構造体及びその製造方法に関して、産業上の利用可能性が認められる。
本発明による絶縁伝熱構造体の第１の実施の形態を示した概略断面図である。 絶縁性高熱伝導硬質粒子と接合層と高熱伝導体層との関係を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の製造方法を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の製造方法により製造した絶縁伝熱構造体を示した概略断面図である。 第１の実施の形態の絶縁伝熱構造体の変形例を示した概略断面図である。 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。 同じく、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。 本発明による絶縁伝熱構造体の第２の実施の形態を示した概略断面図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第３の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第４の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第５の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第６の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第７の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第８の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第９の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第１０の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第１１の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第１２の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第１３の実施の形態を示した説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示した説明図である。 本発明による絶縁伝熱構造体の第１実施例を示した説明図である。 第１実施例の絶縁伝熱構造体の画像解析の結果を示した説明図である。 図２１の部分拡大図である。 従来のパワーモジュール用基板の一例を示した概略断面図である。 従来のパワーモジュール用基板の他の例を示した概略断面図である。 従来のパワーモジュール用基板の他の例を示した概略断面図である。
符号の説明
１ 絶縁伝熱構造体
２ 絶縁体層
３ 接合層
４ 絶縁性高熱伝導硬質粒子
５ 第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子
６、７ 高熱伝導体層
９ 半導体チップ
１０〜１３、２０〜２６ パワーモジュール用基板
１４ Ｎｉメッキ層（ニッケルメッキ層）
１６ 放熱体
１７ ヒートシンク
１９ 密接部材

Claims (17)

  1. 接合層と前記接合層よりも熱伝導率の高い第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁体層の両側に前記接合層よりも熱伝導率の高い高熱伝導体層が配置される絶縁伝熱構造体であって、前記第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の一部が前記高熱伝導体層に貫入しており、前記絶縁体層の一方に形成された前記高熱伝導体層には、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絶縁伝熱構造体。
  2. 請求項１に記載の絶縁伝熱構造体において、
    前記第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の両端部が前記高熱伝導体層に貫入していることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
  3. 請求項１又は２に記載の絶縁伝熱構造体において、
    前記高熱伝導体層に貫入させられた前記第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の貫入深さが、前記高熱伝導体層の厚み以下であることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
  4. 請求項３に記載の絶縁伝熱構造体において、
    前記貫入深さが、前記第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子の平均粒子径の０．０５倍以上であることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
  5. 請求項４に記載の絶縁伝熱構造体において、
    前記貫入深さが、前記絶縁体層の厚みの半分以上であることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体において、
    前記絶縁体層内に第一の絶縁性高熱伝導硬質粒子よりも小径であり、かつ前記接合層よりも熱伝導率の高い第二の絶縁性高熱伝導硬質粒子が分散配置されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
  7. 請求項１から６のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体において、
    前記絶縁体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絶縁伝熱構造体。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体において、
    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絶縁伝熱構造体。
  9. 請求項１に記載の絶縁伝熱構造体において、
    前記回路が構成された高熱伝導体層が、前記絶縁体層の一面に少なくとも１つ形成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
  10. 請求項９に記載の絶縁伝熱構造体において、
    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絶縁伝熱構造体。
  11. 請求項８から１０のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体において、
    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絶縁伝熱構造体。
  12. 請求項１から１１のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体において、
    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絶縁伝熱構造体。
  13. 請求項１から１２のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体において、
    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絶縁伝熱構造体。
  14. 請求項１から１３のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体の前記高熱伝導体層の上面に半導体チップが設けられたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
  15. 請求項１４に記載の絶縁伝熱構造体の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パワーモジュール用基板。
  16. 請求項１４又は１５に記載のパワーモジュール用基板にヒートシンクが設けられたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
  17. 請求項１６に記載のパワーモジュール用基板において、
    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パワーモジュール用基板。
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