JP7144416B2 - 電気構成要素用の搬送基板及び搬送基板を作るための工程 - Google Patents

電気構成要素用の搬送基板及び搬送基板を作るための工程 Download PDF

Info

Publication number
JP7144416B2
JP7144416B2 JP2019530212A JP2019530212A JP7144416B2 JP 7144416 B2 JP7144416 B2 JP 7144416B2 JP 2019530212 A JP2019530212 A JP 2019530212A JP 2019530212 A JP2019530212 A JP 2019530212A JP 7144416 B2 JP7144416 B2 JP 7144416B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
carrier substrate
thickness
intermediate layer
primary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019530212A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020507200A (ja
Inventor
メイヤー，アンドレアス
ギル，ヴィタリ
ミュラー，ラズロー
ヘルマン，レイナー
ブリッティング，シュテファン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rogers Germany GmbH
Original Assignee
Rogers Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rogers Germany GmbH filed Critical Rogers Germany GmbH
Publication of JP2020507200A publication Critical patent/JP2020507200A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7144416B2 publication Critical patent/JP7144416B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • H05K1/0203—Cooling of mounted components
    • H05K1/0204—Cooling of mounted components using means for thermal conduction connection in the thickness direction of the substrate
    • H05K1/0206—Cooling of mounted components using means for thermal conduction connection in the thickness direction of the substrate by printed thermal vias
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3731—Ceramic materials or glass
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • H05K1/0203—Cooling of mounted components
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0271—Arrangements for reducing stress or warp in rigid printed circuit boards, e.g. caused by loads, vibrations or differences in thermal expansion
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/05—Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate
    • H05K1/053—Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate the metal substrate being covered by an inorganic insulating layer
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/0058—Laminating printed circuit boards onto other substrates, e.g. metallic substrates
    • H05K3/0061—Laminating printed circuit boards onto other substrates, e.g. metallic substrates onto a metallic substrate, e.g. a heat sink
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3121—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed a substrate forming part of the encapsulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Description

本発明は、電気構成要素用、具体的には、電子構成要素用の搬送基板と、搬送基板を作るための工程とに関する。
例えば、搬送基板は、独国特許出願公開第１０２００４０３３９３３号明細書から、回路基板またはプリント基板として知られている。一般的に、電気構成要素及び導電性経路は、搬送基板の一方の構成要素側に配列され、電気構成要素及び導電性経路は、電気回路を形成するように相互接続されることができる。特殊な用途のために、個々の電気構成要素及び導電性経路の電気絶縁の高い電気絶縁強度の絶縁層、例えば、セラミックから作られた一次層を有する搬送基板は、特に有益であることを証明している。
これらの搬送基板の動作中、電気構成要素は、一般的に加熱し、構成要素側の局所熱源を形成するような方法で応力が加えられる。加熱によって生じる電気構成要素または搬送基板に対する損傷を避けるために、最先端技術として、例えば、独国特許出願公開第１０２００９０２２８７７号明細書から、通常、構成要素側の反対側にある冷却側にはんだ付けされるヒートシンクまたは冷却構造が知られており、冷却側は、例えば、一次層に隣接する銅層または銅ベースとして形成される。ヒートシンク及び／または冷却構造によって十分な熱容量を提供するために、ヒートシンクまたは冷却構造を適切に大きく寸法決定する必要があり、これは、不利な方法で利用可能空間を埋める搬送基板用の設計が避けられないことを意味する。
加えて、特定の電気構成要素及びその電力密度は、搬送基板の冷却性能に対する要求を増大させる。さらに、寄生インダクタンスは、搬送基板の動作に悪影響をもたらす電気構成要素が使用されるとき、搬送基板で発生し得る。最終的に、係る搬送基板の電磁両立性は、使用される導体構造、または一般に金属構造に対して高い要求を課す。
独国特許出願公開第１０２００４０３３９３３号明細書 独国特許出願公開第１０２００９０２２８７７号明細書 米国特許第３７４４１２０号明細書 独国特許発明第２３１９８５４号明細書
したがって、本発明の目的は、特に、サイズ、重量、冷却性能、電磁両立性、及び寄生インダクタンスに関して、（例えば、セラミックから作られた）一次層を持つ搬送基板を改善することである。
この問題は、請求項１に記載の電気構成要素用の搬送基板及び請求項１１に記載の方法によって解決される。本発明のさらなる態様及び特徴は、従属請求項から、及び説明ならびに添付図からもたらされる。
本発明に従って、搬送基板は、電気構成要素、具体的には、電子構成要素のために設けられ、搬送基板は、構成要素側と、構成要素側の反対側にあり及び冷却構造を有する冷却側とを有し、搬送基板は、電気絶縁のために一次層を備え、一次層は、構成要素側に対面し及び具体的にはセラミック、例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、またはＨＰＳＸセラミック（すなわち、Ｘ％の割合のＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３マトリックス、例えば、９％ＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３＝ＨＰＳ９、または２５％ＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３＝ＨＰＳ２５）を有するセラミックから作られ、また、搬送基板を強固にするために冷却側に対面する二次層を備え、金属中間層は、構成要素側から冷却側まで熱伝達するために一次層及び二次層との間に配列され、金属中間層は、一次層及び／または二次層よりも厚い。
一次層は、熱伝導材料が充填された工業用セラミックまたは有機絶縁材料等、好ましくは５ｋＶ／ｍｍを超える、特に１０、２０ｋＶ／ｍｍを超える、もしくはさらに３０ｋＶ／ｍｍを超える高い電気絶縁抵抗、及び／または、好ましくは１０Ｗ／ｍＫを超える、特に２０Ｗ／ｍＫを超える、もしくはさらに６０Ｗ／ｍＫを超える高熱伝導性を有する絶縁層を持つ。一次層及び／または二次層の厚さは、好ましくは、誘電強度または電気強度に関する要求を満たすために設計または選択される。これには、適用の大部分では、既に言及されたセラミック材料で０．１～０．４ｍｍの一次層及び／または二次層の厚さが求められることが示されている。係る搬送基板の場合（例えば、高圧直流送電のための新しいＳｉＣベースの半導体構成要素での１０～１５ｋＶの誘電強度が求められる搬送基板の場合）、最大で２ｍｍ以上の層厚が一次層及び／または二次層に要求される。
最先端技術と対照的に、搬送基板は、一次層及び二次層が金属中間層によって分離されるサンドイッチ構造で設けられる。中間層は、局所熱源からの熱流動を二次層または冷却側の方向に良好に拡散させ、冷却側でより広範囲の熱分配を確実にすることを可能にし、熱を放出するために重要な熱伝達面を形成する。これは、搬送基板全体の定常熱抵抗（ＲＴＨ）、すなわち、搬送基板の定常動作中に発生する熱抵抗を改善する。例えば、この方法で、定常熱抵抗は３０％までも改善されうる。結果として、さもなければ３ｍｍ～５ｍｍの厚さのベースプレートを含むであろう、搬送基板の冷却側にある特大サイズの冷却構造を省くことができる。これは、材料の使用を少なくすることができ、ひいては、製造コストを少なくすることができることに利点をもたらすだけではなく、また、具体的には、構成要素側及び冷却側で金属コーティングに対して、搬送基板を対称的に設計することを可能にし、これにより、動作中に熱的に誘導される機械的応力または機械的こじり作用を弱めることもできる。さもなければ、係る機械的応力は、例えば、バイメタル効果の形で、また、特に厚い冷却構造が使用されるときは、搬送基板のたわみをもたらし得る。
加えて、電源を入れるプロセスまたは電力がピークの間、中間層が、短時間熱を吸収、または蓄えることができるため、中間層は過渡的または動的な熱抵抗（ＺＴＨ）が十分な範囲におかれることを確実にする。搬送基板は、好ましくはその定常熱抵抗に関して設計されることを考慮しなければならない。ここでは、定常熱抵抗は、好ましくは、約２０～３０秒後に始動し、有利には構成要素上で測定されることができる。異なるシステムの動的挙動を比較するために、電源を入れるプロセス開始３００ミリ秒後に、熱抵抗を測定することも想定される。
さらに、これは、比較に厚い中間層が、搬送基板全体の強固にし、または安定化することに役立つことが有利であることが分かっている。搬送基板は、冷却液により搬送基板に作用する応力や力など、特に内部応力及び外力に対して、十分に強固であることになる。さらに、セラミック層の層厚は、有利な方法で削減しうる。
本発明の好ましい形態に従って、中間層は、一次層及び／または二次層の厚さの、１．１～１０倍、好ましくは、１．２～５倍、より好ましくは、１．３～３倍、または、さらに実質的には、１．５倍であるように提供される。しかしながら、中間層は、また、他の厚さを有し得る。具体的には、中間層は、１ｍｍ～１０ｍｍ、好ましくは、１ｍｍ～５ｍｍ、より好ましくは、１．５ｍｍ～５ｍｍ、または、さらに実質的には、１．５ｍｍの厚さである。これらの値の範囲の以外、すなわち、具体的には、一次層及び／または二次層の厚さに対して中間層圧を増加及び減少した場合の両方で、定常熱抵抗が損なわれることが意外にも示されている。したがって、冷却性能を最適にするために、相応に中間層厚を調節することが有益である。
本発明の好ましい形態に従って、中間層は、一次層及び／または二次層の厚さの、２．５～１００倍、好ましくは、３．５～５０倍、より好ましくは、１０～２５倍、または、さらに実質的には、２０倍である。しかしながら、中間層は、また、他の厚さを有し得る。具体的には、中間層は、１ｍｍ～１０ｍｍ、好ましくは、１ｍｍ～５ｍｍ、具体的には、好ましくは、１．５ｍｍ～５ｍｍ、または、さらに実質的には、３ｍｍの厚さである。係る厚い中間層は、中間層内で最適な熱拡散を可能にし、移送された熱は、有利な方法でできる限り均一に分配され、その後冷却構造を介して消散される。
本発明の他の変形例に従って、中間層は、１ｍｍよりも厚く、好ましくは、１．４ｍｍよりも厚く、より好ましくは、１．９ｍｍよりも厚くなるように提供される。これらの比較的厚い中間層は、特に、様々な基板の種類の大部分において、熱拡散に有利であることが分かる。中間層をそのような厚さにすることは、冷却側の冷却構造を順により小さいサイズにすることができるという利点がある。中間層厚の増加にもかかわらず、搬送基板の全厚を小さくすることができるように、冷却構造をより小さい寸法にできることさえ想定される。
好ましくは、冷却構造は基体領域及びリップ領域を有するように提供され、リップ領域厚と基体厚との比率（ＳＤ／ＢＤ）は、１．２～６、好ましくは、１．４～３、より好ましくは、１．６～２．５の値が想定される。同等の冷却力の場合、リップ領域、すなわち、例えば、ヒートシンクのフィンは、かなり短く寸法決定できることが有利であることが示されている。結果として、よりコンパクトな設計の搬送基板及び最適化された流動状態をもたらす。１．６～２．５の比率は、搬送基板の冷却効果の改善及び比較的にコンパクトな設計の両方を達成することが可能になり、特に有利であることが証明されている。リップ領域は、好ましくは、基体領域から垂直に突出するリップまたはフィンによって形成される一方、基体領域は、具体的には、固形、または重厚な領域を形成する。また、リップは、基体領域に対する垂直整列に対して傾斜することが想定される。具体的には、リップ領域厚及び基体厚は、主要延在面に垂直な方向に測定される。
好ましくは、冷却構造厚は、具体的には、有効冷却構造厚は、金属中間層厚の０．０３～１倍、好ましくは、０．１～０．５倍、より好ましくは、０．１５～０．３倍である。驚くことに、係る薄い冷却構造厚を実現することができることが示されている。全厚を小さくすることに加えて、有利にも、その冷却構造厚が反対側の構成要素側の金属化の厚さと同等の厚さ、具体的には、有効冷却構造厚を有するように、冷却構造厚を寸法決定することが可能である。有効冷却構造厚は、冷却構造は平らではなく、構造化されている事実を考慮にいれ、すなわち、構造化された冷却構造と同等の厚さは、非構造化されたヒートシンクと仮定される。
基本的に、一次層は、具体的には、セラミックから作られ、平坦及び板状であり、好ましくは、搬送基板の構成要素側の全体にわたって延在し、二次層は、具体的には、一次層に平行に整列する。構成要素側に、より具体的には、中間層とは反対側の一次層側に、金属接続要素、具体的には、導電性経路は配列され、これは、好ましくは、接続要素に取り付けられ及び金属接続要素に電気伝導するように接続する電気構成要素を制御するために設けられる。さらに、本発明の実施形態に従って、冷却側の冷却構造は二次層に直接隣接するように提供され、すなわち、例えば、アクティブなはんだ付工程またはＤＣＢ工程によって、二次層との冷却器の直接接続を可能にするはんだ金属を除いて、冷却構造と二次層との間にはんだ金属または同様のものがない。さらに、一次層に平行に延在する及び二次層に直接隣接する冷却構造の一部は、金属中間層よりも薄い。層厚は、各々の層、すなわち、中間層、一次層、及び二次層の範囲は、一次層の主要延在面に垂直に延在することを意味し、一次層、中間層、及び二次層は、具体的には、一次層の主要延在面に垂直に延在する方向に沿って、積み重ねられる、または他方の上部に一方が配列されている。
さらに、中間層が多層であることが考えられる。この場合、搬送基板は、導電性経路（可能性として、構成要素が装備される）、一次層、及び中間層の第１の層から成る少なくとも３つの層を有する上側多層と、中間層の第２の層、二次層、及び冷却構造から成る少なくとも３つの層を有する下側多層とを一緒に接合することによって作られることができる。上側多層及び下側多層は、ＤＣＢ工程、ＤＡＢ工程、拡散溶接、はんだ接合によって、または銀焼結等の焼結処理によって、またはエポキシ樹脂層もしくはポリアミド層等の熱伝導性接着性絶縁層等の追加層によって、一つに接合されることができる。
さらに、また、サンドイッチ構造の搬送基板が、電気絶縁用の１つ以上の追加一次層、搬送基板を安定にするための１つ以上の追加二次層、及び／または構成要素側から冷却側に熱輸送するための複数の追加中間要素を有することが考えられる。電気構成要素は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、またはＧａＮから作られる半導体構成要素である。
さらなる利点及び特徴は、本発明の主題の好ましい実施形態の以下の説明から生じる。個々の設計の個々特徴は、本発明の範囲内で、相互に組み合わせることができる。
中間層の十分な熱容量を確実にするために、さらに、中間層の厚さを一次層及び二次層の組み合わせられた厚さよりも、好ましくは２倍を超える厚さ、好ましくは３倍を超える厚さ、及びより好ましくは５倍を超える厚さになるように提供される。また、中間層の層厚と搬送基板の合計厚さの比率は、０．２～０．８の値、好ましくは、０．３～０．７の値、及びより好ましくは、０．４～０．６の値を有することが考えられる。搬送基板の合計厚さは、構成要素側の導体経路から搬送基板の冷却側の冷却構造の端まで一次層に垂直な方向に測定される。特に小型の実施形態では、搬送基板の合計厚さは、８ｍｍ未満であり、好ましくは、６ｍｍ未満、及びより好ましくは、４ｍｍである。
好ましくは、導体経路、金属接続要素、中間層、及び／または冷却構造は、アルミニウム、モリブデン、タングステン、ＣｕＭｏ、ＣｕＷ、インバール、コバール、及び／または銀を含む材料から作られることが提供される。導電性経路、金属接続要素、中間層、及び／または冷却構造は、好ましくは、銅を含む金属から作られる。また、導電性経路、金属接続要素、中間層、及び／または冷却構造は、例えば、言及された金属のラミネーション、または粉末冶金によって作られた金属マトリクス複合材料等の複合材料から作成されることが考えられる。係る複合材料は、好ましくは、既に言及された金属から作成されることができるが、ＣＴＥの適合及び剛性の増加の目的のために、その複合材料は、Ａｌ２Ｏ３及び／またはＳｉＣ及び／またはＳｉ３Ｎ４もしくは黒鉛もしくはダイヤモンド粉末を含むＡｌ等のセラミック粒子が充填された金属マトリクス複合材料から作成されうる。搬送基板の十分な安定性を提供するために、一次層及び／または二次層は、一次層及び／または二次層の弾性係数が経路の弾性係数よりも大きくなるように設計される。加えて、有益な実施形態では、一次層及び随意に二次層は、電気絶縁強度が５ｋＶ／ｍｍよりも大きい、好ましくは、１０ｋＶ／ｍｍよりも大きい、及びより好ましくは、２０ｋＶよりも大きい材料、または熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも大きい、好ましくは、２０Ｗ／ｍＫよりも大きい、及びより好ましくは、６０Ｗ／ｍＫよりも大きい材料から作られることが提供される。
例えば、これらは工業用セラミックであり、または、二次層の場合、具体的には、エポキシ樹脂またはポリイミド等の熱伝導材料が充填された有機絶縁材料である。Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＳｉＣ、またはＭｇＯは、一次層及び／もしくは二次層の形成に、または有機絶縁材料用の充填材として特に有利であることが証明されている。同様に、変換増幅の目的のための一般的な焼結助剤に加えて、９％ＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３－ＨＰＳ９、または２５％ＺｒＯ２を含むＡｌ２Ｏ３－ＨＰＳ２５等の様々なＺｒＯ２含有量を含み得る、Ａｌ２Ｏ３ベースのセラミックが有利である。
本発明のさらなる実施形態に従って、金属中間層が単一層として設計されることが提供される。単一層とは、具体的には、金属中間層が一体に形成され、及び少なくとも特定の領域で一次層及び二次層を連続的に接続することを意味する。言い換えれば、単一層の中間層は、片側は一次層上に及び他方側は二次層に隣接する。中間層を形成するために、いくつかの層を積み重ねる及び接続する必要性がないため、単一層の形態は搬送基板を作ることに関与する労力を減らす上で有利である。
本発明の具体的に有益な実施形態では、一次基板及び二次基板は、それらの熱膨張に関して、具体的には、それらの膨張係数に関して、搬送基板のたわみを避けるために相互に構成されることが提供される。ここでは、一次基板は、一次層に加えて、中間層の一部及び導電性経路層を含み、二次基板は、二次層に加えて、中間層の追加部及び冷却構造を含む。一次基板と二次基板との間に、中間層の中間基板または中間部がある。一次基板及び／または二次基板の層厚及び／または材料は、好ましくは、搬送基板が一次層の領域内及び二次層の領域内で等しく膨張するような方法で相互に適合される。結果として、温度に起因して搬送基板の動作中または製造中に発生し得る熱応力が、有利な方法で弱めることができ、したがって、搬送基板の電気絶縁性を損なうことなく、搬送基板をアーチ状にするバイメタル効果の可能性を少なくすることをもたらす。
好ましくは、搬送基板は、中間層に対称的に熱機械的に酷似し、すなわち、一次層及び二次層が作られる層厚及び材料は、特にその熱機械的挙動において相互に対応する。代替として、また、一次層及び二次層が同じ形状の場合、二次層の材料は、一次層の材料に対応する膨張係数を有する、または、一次層の均一膨張及び二次層の均一膨張が予想される温度分布で発生するように、そのサイズに関して少なくとも同等であることが想定される。また、一次層及び二次層の選択及び形態に関し、搬送基板上一面で可能性がある、または予想される温度勾配も考慮されることが想定される。
有利には、流体冷却が提供される冷却構造は、搬送基板の一端として冷却側で第２の層に直接隣接し、冷却構造は、具体的には、リップ針及び／またはノブ構造の形態である。具体的には、冷却構造は、搬送基板に統合される。気体及び冷却剤は、流体が想定される。熱交換のために冷却構造と接触する冷却剤を使用することによって、冷却側に輸送される熱は、可能な限り迅速に及び効率的に、搬送基板から除去されることができる。これは、有利に冷却性能をさらに向上させる。金属中間層の使用は、また、冷却構造の外形の奥行きを小さくする相乗効果をもたらす。例えば、冷却構造は、８未満、好ましくは、３未満、及びより好ましくは、１未満であるアスペクト比を有する。小さなアスペクト比を伴う冷却構造の別の利点として、その安定性が挙げられる。さらに、冷却構造は、好ましくは、腐食保護のために、腐食保護層、例えば、具体的には、ＮｉＰ、Ｎｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯｘ、ＮｉＡｕ、ＮｉＰｄＡｕ層でコーティングされる。これは、搬送基板の冷却性能を、搬送基板の耐用年数にわたって、及び冷却システム全体ならびにその他の構成要素の耐用年数にわたって、可能な限り長期間維持することを可能にする。
本発明のさらなる実施形態に従って、一次層がビアを有する、及び／または中間層が追加導電性経路を形成する接触要素を有することが提供される。これは、金属中間層を、電流が個々の構成要素を制御するために伝導することができる追加導電性経路として、有利な方法で使用することを可能にし、したがって、寄生誘導干渉場または干渉効果を減少または改善し、電気構成要素及び電磁両立性の制御を改善し、低インダクタンス搬送基板を提供する。
中間層を一次層上の金属接続要素と電気的に接続するために、ビアが設けられる。ビアは、一次層内の貫通孔として設計され、貫通孔は、導電性の充填材、具体的には、導電性ペーストで満たされる。好ましくは、ビアは、金属端子要素の真下の一次層の主要面に垂直な方向に配列される。金属中間層を制御するために、または電圧をその金属中間層に印加するために、金属中間層は、それ自体の接触要素を有する、または、電気伝導するように、構成要素側、すなわち、中間要素とは反対側の一次層側の接触要素にビアによって接続されることが提供される。また、構成要素側の電気構成要素は、ビアによって制御されないが、一部または区分内で、一次層を循環し、よって、接触構成要素側と中間層との間の接触を確立する導電性経路によって制御されることが想定される。
二次層は、好ましくは、セラミック、もしくはモリブデン、タングステン、またはＷＣｕもしくはＭｏＣｕベースの複合材料から作成される。セラミック二次層は、具体的には、安定した搬送基板を提供するために使用されることができ、セラミック二次層は、具体的には、中間層が追加導電性経路として使用される場合、電気絶縁に好適である。したがって、セラミックから作成された二次層の使用は、ＳｉＣまたはＧａＮから作成される半導体要素を電気構成要素として意図する場合に有利である。製造コストを減らすために、また、モリブデンの二次層は、特に適切な絶縁が必要ない場合に有利に使用されうる。
本発明のさらなる変形例では、金属中間層、導電性経路、及び／または冷却構造は、一次層及び／または二次層に対面する側で熱衝撃抵抗を増加させるため、エッチング構造を有することが提供される。これは、中間層の表面、導電性経路上、及び金属接続要素上で、一次層及び／または二次層に向けられた開口部、すなわち、「隠れたくぼみ」構造を作る。これは、有利にも、最大１０倍までも、搬送基板の熱衝撃抵抗を増加させる。これらの構造は、点状方式または線形方式でエッチングされる。金属中間層は、好ましくは、一次層に対面する側及び二次層に対面する側の両方にエッチング構造を示す。また、中間層が、少なくとも１つのエッチングされた貫通孔を有するか、または一方の点が他方の点の上に配列されない、線に沿って配列された点状エッチング構造を有することが想定される。
好ましくは、搬送基板は、構成要素側を包み込む筐体部、具体的には、鋳造部として設計される筐体部を有し、好ましくは、筐体部は、冷却側に配列される冷却構造と同一平面にあるように提供される。筐体部は、有益な方法で、外的影響から構成要素側で電気構成要素を保護する。搬送基板の電気構成要素と連通するために、終端要素は、好ましくは、筐体部を通り、筐体部の外側で接触点としてユーザが利用可能である。筐体部を冷却構造と同一平面で仕上げることは、ユーザに、ヒートシンク上に、具体的にはヒートシンクとして使用される固形物上に、例えば他の搬送基板と一緒に、搬送基板を搭載する可能性や、冷却構造に、流体チャネル、具体的には液体チャネルを形成するための要素、またはシェル要素を結合する可能性をもたらす点で、有利になることが証明されている。
本発明の有益な実施形態では、冷却構造は、二次層の周縁に隣接するエリア内にエキスパンションジョイントを形成するように金属層内に凹部を有することが提供される。具体的には、エキスパンションジョイントとして作用する凹部が二次層によって覆われないことが意図される。これは、有利な方法で、冷却構造の縦方向の熱膨張が、冷却構造の縦方向の膨張を吸収するエキスパンションジョイントとして作用する凹部による機械的応力の形成を引き起こさないことを可能にする。
本発明の別の主題は、搬送基板を作るための工程である。本発明に従って基板に関して説明された全ての特徴及び利点は、本発明に従った方法に類似して移行することができ、また、その逆も同様である。
具体的には、搬送基板を作るための方法は、一次層、二次層、中間層、及び冷却構造が、導電性経路は、一般的な接着方法を使用して、具体的には、同時に、一般的な方法手順で接着または接合されることを示唆する。具体的には、冷却構造は、基板製造工程中に、二次層に接合されることが提供される。通常の冷却構造の後続の取り付けでは、たわみがよく生じるため、個々の層の同時の接合または接着は、有利にも個々の層のたわみを、製造中に避けることを可能にする。ＤＣＢ工程、アクティブはんだ付け、ろう付け、または接着が、接合方法として想定される。
代替として、また、第１のステップで、導電性経路ならびに金属中間層の一部を伴う一次層、及び金属中間層の一部ならびに冷却構造を伴う二次層等、既に言及された接合方法を使用して、２つ以上の基板を別に製造することも想定される。これらの２つの個々の薄板は、ＤＣＢ工程、ろう付け、軟質はんだ付け、拡散溶接、または焼結工程等の一般的な接合方法によって、本発明に従って、第２の接合ステップで、基板に接合される。
「ＤＣＢ工程」（直接銅接着技術）は、その表面側に金属の化合物及び反応ガス、好ましくは酸素の層またはコーティング（融解層）を有する金属シートもしくは銅シート、または金属ホイルまたは銅ホイルを使用して、例えば、金属層もしくはシート（例えば、銅シートまたは銅ホイル）を一つに接合するために、及び／または金属層もしくはシートをセラミックもしくはセラミック層と接合するために使用される工程である。本方法では、例えば、米国特許第３７４４１２０号明細書または独国特許発明第２３１９８５４号明細書に説明されるように、この層またはコーティング（融解層）は、金属（例えば、銅）の温度を下回る融解温度で共晶を形成し、そのため、ホイルをセラミックに加えることによって、及び全ての層を加熱することによって、全ての層は、本質的に融解層または酸化層のエリアでのみ金属または銅が溶解されることによって、一つに接合される。
具体的には、次に、ＤＣＢ工程は、例えば、以下の工程ステップを有する。
－同質の酸化銅層を形成するように、銅ホイルを酸化するステップ、
－銅ホイルをセラミック層上に置くステップ、
－複合材料を、約１０２５～１０８３°Ｃ（例えば、約１０２５～約１０７１°Ｃ）の工程温度に加熱するステップと、
－室内温度まで冷却するステップ。
例えば、金属層または金属ホイル、具体的にはさらに銅層または同ホイルをセラミック材料と接合するためのアクティブはんだ付け工程は、特に金属セラミック基板を作るために使用される工程でもあると理解され、約６５０～１０００°Ｃの温度で、銅、銀、及び／または金等の主成分に加えて活性金属も含むろう付け合金を使用して、金属ホイル、例えば、銅ホイルとセラミック基板、例えば、アルミニウム窒素セラミックとの間に接合が作られる。この活性金属、例えば、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅの族の少なくとも１つの元素は、化学反応によってはんだとセラミックとの間に結合を形成する一方、はんだと金属との間の接合は金属ろう付け結合である。
具体的には、冷却構造は、搬送基板生成のフレームワーク内で接合または接着されることが意図される。これは、ろう付け工程またはＤＣＢ工程によって影響を受ける搬送基板のエリアに一致する界面エリアの温度安定性を向上させる。その結果、搬送基板は、２００°Ｃを上回る温度で動作し得るＳｉＣもしくはＧａＮ等の半導体材料から作成された構成要素にも使用されることができ、または、モジュール生成に関する終了段階の組立工程及び接続工程において、工程温度（例えば、４００°Ｃ）に制限がなくなる。
本発明の別の実施形態に従って、搬送基板は、仮想的に、一次基板、二次基板、及び好ましくは、それらの間の仮想中間層（ｄ１５．２）に分割される。一次基板は層ｄ１２、ｄ１０、及びｄ１５．１から形成され、二次基板は層ｄ１５．３、ｄ２０、及びｄ３０から形成される。寸法計定するとき、一次基板と二次基板との熱機械的対称性を目指し、すなわち、両方の基板の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、例えば、＋／－２０％、または好ましくは、＋／－１０％、好ましくは、＋／－５％の許容差範囲内で、好ましくは、同じまたは少なくとも同様でなければならない。これは、起こりうる熱機械応力及び結果として生じるたわみ効果を減らすために必要である。結果として生じる層状複合材料の熱膨張係数ＣＴＥ’は、以下のように近似的に計算される。
Figure 0007144416000001
近似化によって、専門家は、具体的には、特定の熱膨張係数が、実際の熱膨張係数から最大２～４％逸脱することを理解している。
ここでは、各々の一部の基板はたわまない、またはわずかにだけたわむことが想定される。各々の膨張係数ＣＴＥｉに加えて、弾性係数Ｅｉ及び層厚ｄｉもここに含まれる。潜在的なたわみは、両側の金属化が、熱機械的に同じまたは同様である、つまり、例えば、全表面の金属化により、両方の金属層が同じまたは少なくとも同様の厚さになるという事実によって回避される。結果として、好ましくは、ｄ１５．１＝ｄ１２及びｄ１５．３＝ｄ３０Ｅであり、ｄ３０Ｅは、冷却構造の可能である構造化を考慮にいれた冷却層の有効層厚になる。
これは、一次基板に適用される。
Figure 0007144416000002
二次基板に関して、下式が適用される。
Figure 0007144416000003
ここで、ｄ３０Ｅは、冷却構造３０の熱機械的な有効厚さである。厚さｄ３０Ｅは冷却構造３０の構造に依存し、下式が適用される。
ｄ３０．１≦ｄ３０Ｅ≦ｄ３０
搬送基板の個々の構成要素または層を寸法決定するとき、完全な熱機械的対称性（ＣＴＥ１０’＝ＣＴＥ２０’）を設定することが可能ではない場合、温度に依存するたわみが予想される。説明されるアプローチは、主に、可能な限り平坦な搬送基板を実現することを目標にし、熱機械的態様を考慮して、層状構造の最適化を果たす。
中間層１５の選択、ひいては、結果として生じる仮想中間層ｄ１５．２の厚さは、搬送基板１の時間的挙動を有意に定義する必要な熱質量に依存する。熱質量に関連する層は、導電性経路ｄ１２、中間層ｄ１５、及び冷却構造３０の基体厚さｄ３０．１である。したがって、熱緩衝層の厚さはｄＣｕ＿ｔｈ＝ｄ１２＋ｄ１５＋ｄ３０．１のように定義される。熱緩衝層の厚さｄＣｕ＿ｔｈは、１～１０ｍｍ、好ましくは、１．１～５ｍｍ、特に好ましくは、１．２～３ｍｍと定義される。
最適なたわみｈは、ほとんどの適用でゼロである。たわみの量ｈは、２００μｍ未満であり、好ましくは、１００μｍ未満であり、及び具体的に好ましくは、５０μｍ未満である。
全ての上記の情報は、大体のものとして理解されたい。その理由として、各々の構造化、特に、トレースｄ１２の構造化ならびに冷却構造３０の構造化、及び構成要素の縁におけるあらゆる境界効果を考慮に入れることができないためである。上記のモデルは、材料の純粋な弾性的挙動に基づくものである。ここでは、塑性変形の影響は、従属的役割を果たす。
本発明のさらなる変形例に従って、横の収縮挙動は、熱膨張係数ＣＴＥを判定するときに考慮されることが意図される。具体的には、横の収縮数νまたはνｉの関数として熱膨張係数は、好ましくは、下式によって決定されることが提供される。
Figure 0007144416000004
これは、熱膨張係数を、さらにより正確に決定することを可能にする。
さらなる利点及び特徴は、添付図を参照して、本発明の目的の実行の好ましい形態の以下の説明からもたらされる。
本発明の第１の例示的実施形態による、電気構成要素用の搬送基板である。 本発明の第２の例示的実施形態による、電気構成要素用の搬送基板である。 本発明の第３の例示的実施形態による、電気構成要素用の搬送基板である。 本発明の第４の例示的実施形態による、電気構成要素用の搬送基板である。 たわみ状態の図４の搬送基板である。 本発明の第５の形態による、搬送基板のための冷却構造である。
図１は、本発明の第１の例示的実施形態による、電気構成要素１３に関する搬送基板１を断面図で概略的に示す。これは、好ましくは、特殊な適用に有利な搬送基板である。具体的には、搬送基板１は、例えば銅またはアルミニウムから作成された電気的に絶縁された金属導電性経路１２が電気構成要素１３またはモジュールのために設けられる構成要素側４を有する。電気構成要素１３を金属導電性経路１２に接続し、導電性経路１２を接続することによって、電気回路は、電気構成要素１３を制御するために実装されることができる。動作中に生じ及び電気構成要素１３から発せられる熱の発生、特に、電気構成要素１３があるエリアで局所的に発生する発熱を妨げるために、搬送基板１に統合される冷却構造３０は、構成要素側４の反対側にある冷却側５に設けられる。具体的には、冷却構造３０は、金属針またはピン構造であり、それらに沿って流体、好ましくは、冷却液が動作中に流動し、ここでは有利な方法で、冷却構造３０から流体へ伝達された熱が連続的に除去されうる。
構成要素側４の個々の導電性経路１２の間に電気絶縁を提供するために、セラミック一次層１０は、構成要素側４上に設けられる。一次層１０は板状である。二次層２０は、十分な安定性及び剛性を提供するために、一次層１０に加えて設けられる。この場合、一次層１０及び二次層２０が作成される材料が、導体が作成された材料よりも大きい弾性係数を有することが提供される。温度変化時に発生し、搬送基板１をアーチ状にするバイメタル効果を弱めるために、さらに、好ましくは、搬送基板１が、一次層１０と二次層２０との間に配列される金属中間層１５に対して熱的観点から、ミラー対称に、または本質的にミラー対称に、熱機械的に構築されることが提供される。
例えば、搬送基板１は、その層順序に関して、ミラー対称であり、すなわち、層の数及び種類、各々の層厚及び／または層に使用される材料、または個々の層は、この点において相互に適合している。具体的には、二次層２０は、膨張係数が好ましくは一次層１０が作られた材料の膨張係数に対応する材料から作成される。二次層２０は、セラミック、モリブデン、タングステン、またはＷＣｕもしくはＭｏＣｕベースの複合材料から作成されることが想定される。示される例では、二次層２０はセラミックから作られている。また、一次基板１０’及び二次基板２０’の膨張係数は、規定の許容差範囲内で適合することが想定される。好ましくは、一次基板１０’及び二次基板２０’の膨張係数は、＋／－２０％未満、好ましくは、＋／－１０％未満だけ異なる。一次基板１０’及び二次基板２０’を伴う搬送基板１の形態は、一次基板１０’及び二次基板２０’に関する膨張係数に関する材料の適切な選択によって、有利な方法で搬送基板１の剛性を増加させることを可能にするだけではなく、搬送基板１の生成中またはその従来の動作中に発生するいかなる熱応力を弱めることも可能になる。
構成要素側４から冷却側５までの熱伝達を改善するために、金属中間層は、また、一次層１０と二次層２０との間に配列されることが意図される。金属中間層１５は、一次層１０及び／または二次層２０よりも厚く、具体的には、一次層厚及び二次層厚の合計よりも厚い。好ましくは、中間層１５は、一次層１０及び／または二次層２０の層厚の合計の２倍、好ましくは、３倍よりも大きい、または特に好ましくは、５倍よりも大きい。結果として、熱質量は、中間層１５の形態で形成される。
一次層１０と二次層２０との間で熱質量として作用する金属中間層１５の配列は、中間層１５が中間ストレージとして役割を果たす限りにおいて、有利であることが証明され、具体的には、スイッチオン及び／または過負荷状態で有利であることが分かる。これは、熱容量により中間層１５によって、より高い短期間のピーク電力を吸収することを可能にし、冷却側に接続される熱交換器またはヒートシンクの故障の場合、搬送基板１への永久的な損傷を生じさせることなく、故障に対応することができる期間が長くなる。さらに、二次層２０は、十分な安定性を提供し、一次層１０の層厚を小さくする。これは、特に、一次層１０が搬送基板１の熱生成構成要素１３に近接するため、熱抵抗に有利な効果をもたらす。加えて、構成要素側４の局所熱源に由来する熱は、中間層１５内でより広範囲に分配される。この理由として、中間層１５の厚さは、比較的に長距離にわたって、熱の十分な拡散または無向の熱伝達を可能にし、また熱抵抗に有利な効果をもたらすためである。さらに、中間層１５の比較的に大きい厚さは、それが、さらに、搬送基板１の剛性を増加させ、ひいては、異なる膨張係数、及び外部応力、及び冷却液の基板への圧力によって生じるもの等の力によって生じるたわみを妨げる点で有利になることが証明される。
動作中に搬送基板１で発生する寄生誘導作用を減らすために、また、追加導電性経路として、金属中間層１５を使用することが好ましい。貫通接続部１１、すなわち、ビアは、一次層１０内に設けられ、ビアを介して、電流は金属中間層１５に印加されることができ、またはビアを介して、金属中間層１０と金属端子要素との間の導電接続が一次層１０上で実現される。十分な電気絶縁を確実にするために、ビア１１を伴う搬送基板１の二次層２０は、具体的には、電気絶縁層、例えば、別のセラミック層である。図１に示される実施形態では、接触要素は、構成要素側、すなわち、一次層上に設けられ、電圧を金属中間層１５に印加するために使用されうる。
示される実施形態では、中間層厚ｂは、一次層厚ａ１及び／または二次層厚ａ２の厚さの、１．１～１０倍、好ましくは、１．２～５倍、より好ましくは、１．３～３倍、または、さらに実質的には、１．５倍であることが意図される。例えば、中間層厚ｂは、１ｍｍ～１０ｍｍの値、好ましくは、１ｍｍ～５ｍｍの値、より好ましくは、１．５ｍｍ～５ｍｍの値、または、さらに実質的には、１．５ｍｍの値が想定される。他の中間層厚、特に、より大きい厚さもまた可能である。
代替として、中間層厚ｂは、一次層厚ａ１及び／または二次層厚ａ２の厚さの、２．５～１００倍、好ましくは、３．５～５０倍、より好ましくは、１０～２５倍、または、さらに実質的には、２．０倍であることが提供される。例えば、中間層厚ｂは、１ｍｍ～１０ｍｍの値、好ましくは、１ｍｍ～５ｍｍの値、より好ましくは、１．５ｍｍ～５ｍｍの値、または、さらに実質的には、３ｍｍの値である。
さらに、一次層厚ａ１は、本質的に二次層厚ａ２に対応することが好ましい。代替として、二次層厚ａ２は、一次層厚ａ１の厚さの、本質的に１．５～５倍、好ましくは、１．３～２．５倍、より好ましくは、１．１～２倍であることが考えられる。さらに、厚さ比は、ａ２＝０．５－２．０ａ１、好ましくは、ａ２＝０．７－１．６ａ１、特に好ましくは、ａ２＝０．８－１．２ａ１になるように構成されることができる。
言い換えれば、厚さ比は、ａ２＝０．５ａ１～２．０ａ１、好ましくは、ａ２＝０．７ａ１～１．６ａ１、特に好ましくは、ａ２＝０．８ａ１～１．２ａ１になるように構成されることができる。
さらに、冷却構造３０が基体領域Ｂ１及びリップ領域Ｓ１を有するように提供される。リップ領域Ｓ１は、好ましくは、基体領域Ｂ１から垂直に突出するリップまたはフィンによって形成される一方、基体領域は、具体的には、固形領域または非構造化領域を形成する。好ましくは、基体領域Ｂ１及びリップ領域Ｓ１は、一体形成される。リップ領域厚ＳＤと基体厚ＢＤとの比率は、１．２～６、好ましくは、１．４～３、より好ましくは、１．６～２．５の値である。さらに、冷却構造厚ＫＤは、具体的には、冷却構造厚ｄ３０．Ｅは、金属中間層厚ｂのサイズの、０．０３～１倍、好ましくは、０．１～０．５倍、特に好ましくは、０．１５～０．３倍であることが提供される。
図２は、断面図で本発明の第２の例示的実施形態による、電気構成要素１３に関する搬送基板１を概略的に示す。搬送基板１は、本質的に図１と同じである。図１に示される実施形態と対照的に、接触要素１６が中間層１５上に設けられる。この接触要素１６は、搬送基板１の寄生誘導作用を小さくするため、ひいては、中間層１５内に電流を誘導するために、電圧を中間要素１５に印加するために、中間要素１５に直接接触することを可能にする。さらに、搬送基板１が構成要素側４で筐体部４０によって囲まれることが意図される。具体的には、これは、鋳造筐体部４０である。また、接触要素１６は、一次層１０上で導電性経路１２に接触するように設けられる。電圧を、一次層１０及び中間層１５上の導電性経路１２に印加するために、中間層１５の接触要素１６及び一次層１０の最上部は、筐体部４０を通るように導かれることが提供される。接触要素１６は、好ましくは、筐体部壁の同じ側で筐体部４０から突出する。
示される実施形態では、搬送基板１は、動作中に、例えば、冷却液が流れ方向に沿って移送される流体チャネル３２を形成するように、好ましくは、冷却構造３０にクリップ留めされるシェル要素５０、具体的には、プラスチック含有シェル要素５０を備える。冷却構造３０とシェル要素５０との間の接続部を密閉するために、密閉要素３１が設けられ、シェル要素５０内の対応する凹部に埋め込まれる。搬送基板１の冷却側５に配列される冷却構造３０の針またはピンは、動作中に、冷却液で満たされる流体チャネル３２の中へ突出する。
図３は、断面図で本発明の第３の例示的実施形態による、電気構成要素１３に関する搬送基板１を概略的に示す。搬送基板１は、本質的に図２と同じである。図２の搬送基板１の特徴に加えて、ここでは、鋳造筐体部４０は、冷却構造３０と冷却側５で同一平面にあるように提供される。これは、有利な方法で、冷却構造上で、例えば、シェル要素５０上で、搬送基板１を単純に設置または締結することを可能にする。これは、搬送基板１を特に柔軟に使用されることを可能にする。この目的のために、具体的には、冷却構造３０は、１つ以上の縁領域内でアンダーカット部または凹部を有し、それにより、冷却構造３０は、一次層１０に垂直に延在する方向に沿って、筐体部４０と積極的に協動するように提供される。
図４は、本発明の第４の例示的実施形態による、電気構成要素用の搬送基板を示す。一次層、二次層、及び金属中間層を寸法決定するために、ここでは、搬送基板１は、一次基板１０’、二次基板２０に、好ましくは、それらの間に位置する仮想中間層１５’に仮想的に分割される。一次基板１０’は層ｄ１２、ｄ１０、及びｄ１５．１から形成され、二次基板は層ｄ１５．３、ｄ２０、及びｄ３０から形成される。寸法計定するとき、一次基板と二次基板との熱機械的対称性を目指し、すなわち、一次基板１０’と二次基板２０’の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、例えば、＋／－２０％、または好ましくは、＋／－１０％の許容差範囲内で、好ましくは、同じまたは少なくとも同様でなければならない。これは、起こりうる熱機械応力及び結果として生じるたわみ効果を減らすために必要である。結果として生じる層状複合材料の熱膨張係数ＣＴＥ’は、以下のように近似的に計算される。
Figure 0007144416000005
ここでは、各々の基板の一部はたわまない、またはわずかにだけたわむことが想定される。この起こりうるたわみは、両側の金属化が、熱機械的に同じまたは同様である、つまり、例えば、全表面の金属化の場合、両方の金属層が同じまたは少なくとも同様の厚さになるという事実によって回避される。結果として、好ましくは、ｄ１５．１＝ｄ１２及びｄ１５．３＝ｄ３０Ｅである。
これは、一次基板に適用される。
Figure 0007144416000006
二次基板に下式が適用される。
Figure 0007144416000007
ｄ３０Ｅは、冷却構造３０の熱機械的な有効厚さである。厚さｄ３０Ｅは冷却構造３０の構造に依存し、下式が適用される。
ｄ３０．１≦ｄ３０Ｅ≦ｄ３０
搬送基板１の個々の構成要素または層を寸法決定するとき、完全な熱機械的対称性（ＣＴＥ１０’＝ＣＴＥ２０’）を設定することが可能ではない場合、温度に依存するたわみが予想される。説明されるアプローチは、主に、可能な限り平坦な搬送基板１を実現する目標にし、熱機械的観点において、層状構造の最適化を果たす。
中間層１５の選択、ひいては、結果として生じる仮想中間層ｄ１５．２の厚さの選択、すなわち、中間基板１５’の厚さの選択は、搬送基板１の時間的挙動を有意に定義する必要な熱質量に依存する。熱質量に関連する層または層厚は、導電性経路ｄ１２、中間層ｄ１５、及び冷却構造３０の基体厚さｄ３０．１のものである。したがって、熱緩衝層の厚さは、ｄＣｕ＿ｔｈ＝ｄ１２＋ｄ１５＋ｄ３０．１として定義される。熱緩衝層の厚さｄＣｕ＿ｔｈは、１～１０ｍｍ、好ましくは、１．１～５ｍｍ、具体的に好ましくは、１．２～３ｍｍである。最適なたわみｈは、ほとんどの適用でゼロである。たわみの量ｈは、２００μｍ未満であり、好ましくは、１００μｍ未満であり、及び特に好ましくは、５０μｍ未満である。全ての上記の寸法は、大体のものとして理解されたい。その理由として、各々の構造化、特に、トレースｄ１２の構造化ならびに冷却構造３０の構造化、及び構成要素の縁におけるいずれかの境界効果を考慮に入れることができないためである。上記のモデルは、材料の純粋な弾性的挙動に基づくものである。ここでは、塑性変形の影響は、従属的役割を果たす。
図５は、本発明の第４の例示的実施形態による、電気構成要素１３に関する搬送基板１３を示す。搬送基板１は、搬送基板１がたわみｈを有するたわみ状態を表す。
図６は、本発明の第５の実施形態による、搬送基板１の冷却構造３０を示す。ここでは、凹部８が、冷却構造３０として、二次層２０及び／または一次層１０に対面する側に設計された金属層上に配列されることが提供される。具体的には、凹部８は、主要延在面に平行に延在する方向に、一次層１０及び／または二次層２０に対してずれて配置され、冷却構造３０は、一次層１０及び／または二次層２０に対して突出することが提供される。具体的には、凹部が、冷却構造３０の熱膨張が搬送基板１の全体の機械的応力を生じさせることを防止するエキスパンションジョイントとして形成されることが意図される。
１ 搬送基板
４ 構成要素側
５ 冷却側
８ 凹部
１０ 一次層
１０’ 一次基板
１１ ビア
１２ 導電性経路
１３ 電気構成要素
１６ 接触要素
１５ 中間層
１５’ 中間基板
２０ 二次層
２０’ 二次基板
３０ 冷却構造
３１ 密閉要素
３２ 流体チャネル
４０ 筐体部
５０ シェル要素
ａ１ 一次層厚
ａ２ 二次層厚
ＫＤ 冷却構造厚
ＤＢ 基体厚
ＳＤ リップ領域厚
Ｂ 中間層厚
Ｈ たわみ
ｄ１２、ｄ１０、及びｄ１５．１ 一次基板に寄与する層厚
ｄ１５．３、ｄ２０、及びｄ３０ 二次基板に寄与する層厚
ｄ１５．２ 中間基板の層厚
ｄ３０．Ｅ 冷却構造の有効層厚
ｄ３０．１、ｄ３０．２ 冷却構造に寄与するコーティング厚

Claims (11)

  1. 電気構成要素（１３）用の搬送基板（１）であって、
    前記搬送基板（１）は、構成要素側（４）に複数の導電性経路を含むとともに、前記構成要素側（４）の反対側である冷却側（５）に冷却構造（３０）を有し、
    前記搬送基板（１）は、セラミックから作られた一次層（１０）と、二次層（２０）と、前記一次層（１０）及び前記二次層（２０）の間に配置された金属中間層（１５）とを備え、
    前記一次層（１０）は、前記複数の導電性経路の間に電気絶縁を提供するために、前記金属中間層（１５）と前記複数の導電性経路との間に位置しており、
    前記二次層（２０）は、前記搬送基板（１）を強固にするために、前記金属中間層（１５）と前記冷却構造（３０）との間に位置しており、
    前記金属中間層（１５）の厚さは、前記一次層（１０）及び前記二次層（２０）の厚さよりも厚く、
    前記金属中間層（１５）の厚さは、１ｍｍよりも厚く、
    有効冷却構造厚（ｄ３０．Ｅ）は、金属中間層厚（ｂ）の、０．１～０．５倍であり、
    前記二次層（２０）は、モリブデン、タングステン、または、ＷＣｕもしくはＭｏＣｕベースの複合材料から形成されている、搬送基板（１）。
  2. 前記金属中間層（１５）の厚さは、前記一次層及び／または前記二次層の厚さの、２．５～１００倍である、請求項１に記載の搬送基板（１）。
  3. 前記金属中間層（１５）の厚さは、１ｍｍ～１０ｍｍである、請求項１または２の１項に記載の搬送基板（１）。
  4. 前記金属中間層（１５）の厚さは、１．４ｍｍよりも厚い、請求項１から３の１項に記載の搬送基板（１）。
  5. 前記冷却構造（３０）は基体領域（Ｂ１）及びリップ領域（Ｓ１）を含み、リップ領域厚（ＳＤ）と基体厚（ＢＤ）との比率（ＳＤ／ＢＤ）は、１．２～６である、請求項１から４の１項に記載の搬送基板（１）。
  6. 前記有効冷却構造厚（ｄ３０．Ｅ）は、前記金属中間層厚（ｂ）の、０．１５～０．３倍である、請求項１から５の１項に記載の搬送基板（１）。
  7. 前記金属中間層（１５）は、単体層として形成される、請求項１から６の１項に記載の搬送基板（１）。
  8. 前記一次層（１０）はビア（１１）を有する、及び／または前記金属中間層（１５）は、追加導電性経路を形成するように接触要素（１６）を有する、請求項１から７の１項に記載の搬送基板（１）。
  9. 前記金属中間層（１５）、前記導電性経路（１２）、前記接触要素（１６）、金属接続要素（１３）、及び／または前記冷却構造（３０）は、熱衝撃抵抗を増加させるために、前記一次層に対面する側に、または前記二次層に対面する側にエッチング構造を有する、請求項８に記載の搬送基板（１）。
  10. 前記搬送基板（１）は、前記構成要素側（４）を包み込む筐体部（４０）、具体的には、鋳造部として設計される筐体部（４０）を有し、前記筐体部（４０）は、前記冷却側（５）に配列される前記冷却構造（３０）と同一平面で途切れる、請求項１から９の１項に記載の搬送基板（１）。
  11. 前記一次層（１０）、前記二次層（２０）、前記金属中間層（１５）、及び前記冷却構造（３０）は、一般的な接合方法によって、具体的には、同時に、一般的な方法ステップで接合される、請求項１から１０の１項に記載の搬送基板（１）を作るための方法。
JP2019530212A 2016-12-22 2017-12-19 電気構成要素用の搬送基板及び搬送基板を作るための工程 Active JP7144416B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016125348.0A DE102016125348B4 (de) 2016-12-22 2016-12-22 Trägersubstrat für elektrische Bauteile und Verfahren zur Herstellung eines Trägersubstrats
DE102016125348.0 2016-12-22
PCT/EP2017/083434 WO2018114880A1 (de) 2016-12-22 2017-12-19 Trägersubstrat für elektrische bauteile und verfahren zur herstellung eines trägersubstrats

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020507200A JP2020507200A (ja) 2020-03-05
JP7144416B2 true JP7144416B2 (ja) 2022-09-29

Family

ID=60972200

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019530212A Active JP7144416B2 (ja) 2016-12-22 2017-12-19 電気構成要素用の搬送基板及び搬送基板を作るための工程

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11564307B2 (ja)
EP (1) EP3559989B1 (ja)
JP (1) JP7144416B2 (ja)
KR (2) KR20190098971A (ja)
CN (1) CN110114872B (ja)
DE (2) DE102016125348B4 (ja)
WO (1) WO2018114880A1 (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3627546A1 (en) 2018-09-24 2020-03-25 Infineon Technologies AG Power semiconductor module arrangement
DE102018133479A1 (de) * 2018-12-21 2020-06-25 Rogers Germany Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls und Elektronikmodul
DE102019209082B3 (de) 2019-06-24 2020-06-04 Siemens Aktiengesellschaft Befestigung von Leistungshalbleiterbauelementen auf gekrümmten Oberflächen
DE102019215793A1 (de) * 2019-10-14 2021-04-15 Vitesco Technologies GmbH Verdrahtungssubstrat für ein Halbleiterbauteil und Verfahren zur Herstellung eines Verdrahtungssubstrats
DE102019135146B4 (de) * 2019-12-19 2022-11-24 Rogers Germany Gmbh Metall-Keramik-Substrat
DE102021111711B4 (de) 2021-05-05 2022-12-15 Rolf Prettl Temperiervorrichtung für elektronische Bauelemente
KR102590521B1 (ko) * 2021-06-23 2023-10-17 중앙대학교 산학협력단 반도체 패키징

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006310363A (ja) 2005-04-26 2006-11-09 Toshiba Corp パワー半導体装置
JP2007281498A (ja) 2007-05-28 2007-10-25 Hitachi Metals Ltd 半導体パワーモジュール
JP2013016690A (ja) 2011-07-05 2013-01-24 Furukawa Sky Kk ヒートシンク
JP2013021348A (ja) 2012-09-06 2013-01-31 Denso Corp 電子制御ユニット
JP2014063984A (ja) 2012-08-31 2014-04-10 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
WO2016121660A1 (ja) 2015-01-29 2016-08-04 京セラ株式会社 回路基板および電子装置

Family Cites Families (47)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3744120A (en) 1972-04-20 1973-07-10 Gen Electric Direct bonding of metals with a metal-gas eutectic
US3766634A (en) 1972-04-20 1973-10-23 Gen Electric Method of direct bonding metals to non-metallic substrates
US4383270A (en) * 1980-07-10 1983-05-10 Rca Corporation Structure for mounting a semiconductor chip to a metal core substrate
US4365168A (en) * 1980-07-14 1982-12-21 Northern Telecom Limited Electrical circuit on porcelain coated metal substrates
JPS59208892A (ja) * 1983-05-13 1984-11-27 富士通株式会社 メタルコア・プリント基板の構造
US4997698A (en) * 1987-05-04 1991-03-05 Allied-Signal, Inc. Ceramic coated metal substrates for electronic applications
DE3930858C2 (de) * 1988-09-20 2002-01-03 Peter H Maier Modulaufbau
US5073840A (en) * 1988-10-06 1991-12-17 Microlithics Corporation Circuit board with coated metal support structure and method for making same
EP0399161B1 (en) * 1989-04-17 1995-01-11 International Business Machines Corporation Multi-level circuit card structure
JPH0777246B2 (ja) * 1989-10-31 1995-08-16 株式会社住友金属セラミックス セラミックス回路基板
DE4004844C1 (de) 1990-02-16 1991-01-03 Abb Ixys Semiconductor Gmbh Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Kupfermetallisierung auf einem Keramiksubstrat
JP3145748B2 (ja) 1991-11-14 2001-03-12 富士写真フイルム株式会社 有機電解液二次電池
US5565262A (en) * 1995-01-27 1996-10-15 David Sarnoff Research Center, Inc. Electrical feedthroughs for ceramic circuit board support substrates
US5581876A (en) * 1995-01-27 1996-12-10 David Sarnoff Research Center, Inc. Method of adhering green tape to a metal support substrate with a bonding glass
JP3578825B2 (ja) * 1995-03-17 2004-10-20 富士通株式会社 ヒートシンク
JPH0945815A (ja) * 1995-08-03 1997-02-14 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体用パッケージ、該パッケージ用板状部材及びその製造方法
JP4014248B2 (ja) * 1997-03-21 2007-11-28 本田技研工業株式会社 傾斜機能材料の製造方法
DE19735531A1 (de) * 1997-08-16 1999-02-18 Abb Research Ltd Leistungshalbleitermodul mit in Submodulen integrierten Kühlern
JP3445511B2 (ja) * 1998-12-10 2003-09-08 株式会社東芝 絶縁基板、その製造方法およびそれを用いた半導体装置
JP2000294721A (ja) * 1999-04-02 2000-10-20 Canon Inc 半導体チップ実装構造
JP2000332170A (ja) * 1999-05-19 2000-11-30 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置
US7183640B2 (en) * 1999-12-13 2007-02-27 Lamina Ceramics, Inc. Method and structures for enhanced temperature control of high power components on multilayer LTCC and LTCC-M boards
FR2810845B1 (fr) 2000-06-23 2002-08-23 Alstom Module de puissance a composants electroniques de puissance et procede de fabrication d'un tel module
JP2003163315A (ja) * 2001-11-29 2003-06-06 Denki Kagaku Kogyo Kk モジュール
US7244965B2 (en) * 2002-09-04 2007-07-17 Cree Inc, Power surface mount light emitting die package
US6831835B2 (en) * 2002-12-24 2004-12-14 Ault, Inc. Multi-layer laminated structures, method for fabricating such structures, and power supply including such structures
JP4360847B2 (ja) 2003-06-30 2009-11-11 日本特殊陶業株式会社 セラミック回路基板、放熱モジュール、および半導体装置
US7196459B2 (en) * 2003-12-05 2007-03-27 International Resistive Co. Of Texas, L.P. Light emitting assembly with heat dissipating support
DE102004033933B4 (de) 2004-07-08 2009-11-05 Electrovac Ag Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates
WO2008075409A1 (ja) 2006-12-19 2008-06-26 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki パワーモジュール用ベース、パワーモジュール用ベースの製造方法及びパ ワーモジュール
JP2008270294A (ja) 2007-04-16 2008-11-06 Sumitomo Electric Ind Ltd ヒートシンク部材および半導体装置
US8018047B2 (en) * 2007-08-06 2011-09-13 Infineon Technologies Ag Power semiconductor module including a multilayer substrate
US20090141456A1 (en) * 2007-11-30 2009-06-04 Itt Manufacturing Enterprises, Inc. Multilayer, thermally-stabilized substrate structures
KR101524545B1 (ko) * 2008-02-28 2015-06-01 페어차일드코리아반도체 주식회사 전력 소자 패키지 및 그 제조 방법
DE102009022877B4 (de) 2009-04-29 2014-12-24 Rogers Germany Gmbh Gekühlte elektrische Baueinheit
US9681580B2 (en) * 2010-07-28 2017-06-13 Wolverine Tube, Inc. Method of producing an enhanced base plate
US20120026692A1 (en) * 2010-07-28 2012-02-02 Wolverine Tube, Inc. Electronics substrate with enhanced direct bonded metal
DE102010049499B4 (de) 2010-10-27 2014-04-10 Curamik Electronics Gmbh Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Substrates
KR101184508B1 (ko) 2011-02-08 2012-09-19 삼성전기주식회사 인쇄회로기판
JP5821389B2 (ja) * 2011-04-20 2015-11-24 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板
CN202652683U (zh) 2011-11-27 2013-01-02 葛豫卿 一种带液/汽相变传热基板的印刷电路板
CN102803888A (zh) * 2012-01-05 2012-11-28 萨帕有限公司 散热器及其制造方法
US20160014878A1 (en) * 2014-04-25 2016-01-14 Rogers Corporation Thermal management circuit materials, method of manufacture thereof, and articles formed therefrom
EP3136433B1 (en) * 2014-04-25 2019-02-13 Mitsubishi Materials Corporation Power module substrate unit and power module
CA2961001C (en) 2014-09-15 2019-07-16 Nicholas Michael D'onofrio Liquid cooled metal core printed circuit board
DE102015210587B4 (de) * 2015-06-10 2020-10-29 Infineon Technologies Ag Halbleitermodul, halbleitermodulanordnung und verfahren zum betrieb eines halbleitermoduls
JP6137267B2 (ja) * 2015-10-08 2017-05-31 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006310363A (ja) 2005-04-26 2006-11-09 Toshiba Corp パワー半導体装置
JP2007281498A (ja) 2007-05-28 2007-10-25 Hitachi Metals Ltd 半導体パワーモジュール
JP2013016690A (ja) 2011-07-05 2013-01-24 Furukawa Sky Kk ヒートシンク
JP2014063984A (ja) 2012-08-31 2014-04-10 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP2013021348A (ja) 2012-09-06 2013-01-31 Denso Corp 電子制御ユニット
WO2016121660A1 (ja) 2015-01-29 2016-08-04 京セラ株式会社 回路基板および電子装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3559989B1 (de) 2023-08-23
DE202017006941U1 (de) 2018-12-05
US11564307B2 (en) 2023-01-24
WO2018114880A1 (de) 2018-06-28
US20210084748A1 (en) 2021-03-18
CN110114872A (zh) 2019-08-09
DE102016125348B4 (de) 2020-06-25
JP2020507200A (ja) 2020-03-05
KR20190098971A (ko) 2019-08-23
EP3559989A1 (de) 2019-10-30
CN110114872B (zh) 2023-08-04
KR20220020417A (ko) 2022-02-18
DE102016125348A1 (de) 2018-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7144416B2 (ja) 電気構成要素用の搬送基板及び搬送基板を作るための工程
US8637777B2 (en) Power module substrate having heatsink, method for manufacturing the same, power module having heatsink, and power module substrate
CN111108819B (zh) 电动装置和制造电动装置的方法
EP2306512B1 (en) Heat radiator and power module
US8559475B2 (en) Heat sink and assembly or module unit
US20120107642A1 (en) Metal-ceramic substrate and method for manufacturing such a substrate
KR102387210B1 (ko) 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈
US8897015B2 (en) Base plate
JP2009206191A (ja) パワーモジュール
KR101519925B1 (ko) 금속화된 표면을 갖는 세라믹 베이스를 구비한 컴포넌트
JP2006269966A (ja) 配線基板およびその製造方法
KR102396987B1 (ko) 금속 세라믹 기판 및 금속 세라믹 기판의 제조 방법
JP2004022973A (ja) セラミック回路基板および半導体モジュール
JP2008270294A (ja) ヒートシンク部材および半導体装置
US20230028429A1 (en) Metal ceramic substrate and method for manufacturing such metal ceramic substrate
JPH10144967A (ja) 冷却用熱電素子モジュール
KR20220139385A (ko) 일렉트로닉 모듈 및 일렉트로닉 모듈의 제조 방법
KR20210108221A (ko) 양면 냉각형 파워모듈
CN113906553A (zh) 金属基座板的翘曲控制构造、半导体模块及逆变器装置
JP2008135595A (ja) パワーモジュール
EP3780084A1 (en) Insulated circuit board with heat sink
JP2024514285A (ja) プリント回路基板、インサートとしての金属セラミック基板、及びそのようなインサートの製造方法
CN117882187A (zh) 半导体装置及其制造方法
JP2007067228A (ja) 回路基板

Legal Events

Date Code Title Description
A529 Written submission of copy of amendment under article 34 pct

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A529

Effective date: 20190729

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200106

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20200420

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20201210

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210105

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210331

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210629

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210913

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220208

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20220509

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220627

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220823

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220915

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7144416

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150