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、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、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、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、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、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、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、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、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、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、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、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、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、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(Al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、Si、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(Al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、Si、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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