JPH06334074A - 半導体装置用基板 - Google Patents
半導体装置用基板Info
- Publication number
- JPH06334074A JPH06334074A JP11801393A JP11801393A JPH06334074A JP H06334074 A JPH06334074 A JP H06334074A JP 11801393 A JP11801393 A JP 11801393A JP 11801393 A JP11801393 A JP 11801393A JP H06334074 A JPH06334074 A JP H06334074A
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- JP
- Japan
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- semiconductor device
- substrate
- thermal expansion
- base material
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体デバイスの放熱性を向上できる基板を
提供することである。 【構成】 0℃〜300℃の温度範囲にて8×10マイ
ナス6乗以下の熱膨張係数を有する金属または合金でな
る基材と、該基材の放熱対象となる物品と接合される面
に設けられた1または複数個の孔と、該孔に充填された
熱伝導率が210W/(m・K)以上の金属または合金
でなる高熱伝導材料とを具備する半導体装置用基板であ
る。
提供することである。 【構成】 0℃〜300℃の温度範囲にて8×10マイ
ナス6乗以下の熱膨張係数を有する金属または合金でな
る基材と、該基材の放熱対象となる物品と接合される面
に設けられた1または複数個の孔と、該孔に充填された
熱伝導率が210W/(m・K)以上の金属または合金
でなる高熱伝導材料とを具備する半導体装置用基板であ
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、サイリスタ、パワート
ランジスタなどの半導体デバイスへの熱応力の発生を抑
えるとともに、放熱性にも優れた半導体装置用基板に関
するものである。
ランジスタなどの半導体デバイスへの熱応力の発生を抑
えるとともに、放熱性にも優れた半導体装置用基板に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスの内、特に電力制御用に
用いられるサイリスタ、パワートランジスタ等において
は、半導体デバイスの破損を防ぐために、熱応力の発生
を防止する手段が必要になっている。その具体的な手段
として例えばサイリスタ、パワートランジスタにおいて
は、半導体を構成するシリコンと熱膨張係数が近いMo
あるいはW板を半導体の陽極に接合することにより熱応
力の発生を防止する、いわゆるメサ型あるいはプレーナ
型のサイリスタおよびパワートランジスタが知られてい
る。また半導体の基板として絶縁性が要求される場合に
は、MoあるいはW板の下に薄いアルミナ板を敷く場合
もある。最近、半導体からの放熱性を高めるために、半
導体を構成するシリコンと熱膨張係数が近い窒化アルミ
ニウム板上に半導体チップを搭載し、絶縁性と放熱性を
兼ね備えた構造も知られるようになって来ている。この
場合も窒化アルミニウム板の下に、窒化アルミニウムお
よび半導体を構成するシリコンと熱膨張係数の近いMo
の板が接合され、窒化アルミニウムとの接合部に直接熱
応力がかかるのを防止している。
用いられるサイリスタ、パワートランジスタ等において
は、半導体デバイスの破損を防ぐために、熱応力の発生
を防止する手段が必要になっている。その具体的な手段
として例えばサイリスタ、パワートランジスタにおいて
は、半導体を構成するシリコンと熱膨張係数が近いMo
あるいはW板を半導体の陽極に接合することにより熱応
力の発生を防止する、いわゆるメサ型あるいはプレーナ
型のサイリスタおよびパワートランジスタが知られてい
る。また半導体の基板として絶縁性が要求される場合に
は、MoあるいはW板の下に薄いアルミナ板を敷く場合
もある。最近、半導体からの放熱性を高めるために、半
導体を構成するシリコンと熱膨張係数が近い窒化アルミ
ニウム板上に半導体チップを搭載し、絶縁性と放熱性を
兼ね備えた構造も知られるようになって来ている。この
場合も窒化アルミニウム板の下に、窒化アルミニウムお
よび半導体を構成するシリコンと熱膨張係数の近いMo
の板が接合され、窒化アルミニウムとの接合部に直接熱
応力がかかるのを防止している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述したようにMoあ
るいはWは、シリコンあるいは窒化アルミニウム等のセ
ラミックスと熱膨張係数の近く、半導体装置に使用する
放熱性の高い基板として有効である。しかし、Moおよ
びWは極めて高価である。またMoおよびWではせいぜ
い200W/(m・K)の熱伝導率しか得られず、さら
なる放熱性の向上の要求には対応できていない。一方、
熱伝導性の高い金属材料としては、一般にAl,Cu,
Au,Agおよびこれらの合金が知られているが、これ
らの熱膨張係数と半導体を構成するシリコンおよび窒化
アルミニウム等のセラミックス材料の熱膨張係数では差
がありすぎるため、そのまま接合することはできない。
本発明は、上記問題に鑑み、半導体デバイスの放熱性を
向上できる基板を提供することである。
るいはWは、シリコンあるいは窒化アルミニウム等のセ
ラミックスと熱膨張係数の近く、半導体装置に使用する
放熱性の高い基板として有効である。しかし、Moおよ
びWは極めて高価である。またMoおよびWではせいぜ
い200W/(m・K)の熱伝導率しか得られず、さら
なる放熱性の向上の要求には対応できていない。一方、
熱伝導性の高い金属材料としては、一般にAl,Cu,
Au,Agおよびこれらの合金が知られているが、これ
らの熱膨張係数と半導体を構成するシリコンおよび窒化
アルミニウム等のセラミックス材料の熱膨張係数では差
がありすぎるため、そのまま接合することはできない。
本発明は、上記問題に鑑み、半導体デバイスの放熱性を
向上できる基板を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者は、高熱伝導性
を有するAl,Cu,Au,Ag等の高熱伝導材料を基
板として使用することを検討し、これらの高熱伝導材料
の熱膨張を拘束することにより、高熱伝導材料と半導体
あるいはセラミックスとの熱膨張差を低減できる構造を
有する基板を見いだした。すなわち本発明は、0℃〜3
00℃の温度範囲にて8×10マイナス6乗以下の熱膨
張係数を有する金属または合金でなる基材と、該基材の
放熱対象となる物品と接合される面に設けられた1また
は複数個の孔と、該孔に充填された熱伝導率が210W
/(m・K)以上の金属または合金でなる高熱伝導材料
とを具備することを特徴とする放熱基板である。
を有するAl,Cu,Au,Ag等の高熱伝導材料を基
板として使用することを検討し、これらの高熱伝導材料
の熱膨張を拘束することにより、高熱伝導材料と半導体
あるいはセラミックスとの熱膨張差を低減できる構造を
有する基板を見いだした。すなわち本発明は、0℃〜3
00℃の温度範囲にて8×10マイナス6乗以下の熱膨
張係数を有する金属または合金でなる基材と、該基材の
放熱対象となる物品と接合される面に設けられた1また
は複数個の孔と、該孔に充填された熱伝導率が210W
/(m・K)以上の金属または合金でなる高熱伝導材料
とを具備することを特徴とする放熱基板である。
【0005】
【作用】本発明の最大の特徴の一つは、熱膨張係数の大
きい高熱伝導材料を熱伝導率の小さい材料で構成される
基材の孔内に配置させることによって、高熱伝導材料が
放熱対象の接触面と平行な方向に膨張するのを抑制した
ことにある。この構造により従来熱膨張差のために使用
できなかったCu等の高熱伝導材料を基板として使用す
ることができる。
きい高熱伝導材料を熱伝導率の小さい材料で構成される
基材の孔内に配置させることによって、高熱伝導材料が
放熱対象の接触面と平行な方向に膨張するのを抑制した
ことにある。この構造により従来熱膨張差のために使用
できなかったCu等の高熱伝導材料を基板として使用す
ることができる。
【0006】本発明において、基材を0℃〜300℃の
温度範囲にて8×10マイナス6乗以下の熱膨張係数を
有する金属または合金と規定したのは、放熱基板として
は300℃以下の温度特性が重要であること、および放
熱対象となる半導体シリコンあるいは窒化アルミニウ
ム、酸化アルミニウム等が8×10マイナス6乗以下の
熱膨張係数を有しているためであり、8×10マイナス
6乗を越える熱膨張係数では基材自体と放熱対象の熱膨
張差が大きくなり好ましくないためである。
温度範囲にて8×10マイナス6乗以下の熱膨張係数を
有する金属または合金と規定したのは、放熱基板として
は300℃以下の温度特性が重要であること、および放
熱対象となる半導体シリコンあるいは窒化アルミニウ
ム、酸化アルミニウム等が8×10マイナス6乗以下の
熱膨張係数を有しているためであり、8×10マイナス
6乗を越える熱膨張係数では基材自体と放熱対象の熱膨
張差が大きくなり好ましくないためである。
【0007】また、高熱伝導材料の熱伝導率を210W
/(m・K)以上と規定したのは、これ未満では従来使
用されているW板の有する熱伝導率との差がなく、本発
明の複合構造をとる利点が少ないためである。本発明の
高熱伝導材料としては、Cu,Al,Ag,Auおよび
これらを主体とする合金が使用できる。また本発明の基
材の材質しては、30〜50重量%のNiおよび残部実
質的にFeよりなるインバー合金、25〜50重量%の
Ni、5〜20重量%Coおよび残部実質的にFeより
なるいわゆるコバールあるいはスーパーインバー合金、
あるいはこれらに強化元素として知られているAl,T
i,Nb等を5重量%以下含む合金、40〜60重量%
のCo、5〜15重量%のCr、残部実質的にFeであ
るステンレス系合金が使用できる。
/(m・K)以上と規定したのは、これ未満では従来使
用されているW板の有する熱伝導率との差がなく、本発
明の複合構造をとる利点が少ないためである。本発明の
高熱伝導材料としては、Cu,Al,Ag,Auおよび
これらを主体とする合金が使用できる。また本発明の基
材の材質しては、30〜50重量%のNiおよび残部実
質的にFeよりなるインバー合金、25〜50重量%の
Ni、5〜20重量%Coおよび残部実質的にFeより
なるいわゆるコバールあるいはスーパーインバー合金、
あるいはこれらに強化元素として知られているAl,T
i,Nb等を5重量%以下含む合金、40〜60重量%
のCo、5〜15重量%のCr、残部実質的にFeであ
るステンレス系合金が使用できる。
【0008】上述の基材に高熱伝導材料を充填する際の
欠陥の発生を防止するためには、あらかじめ充填すべき
高熱伝導材料と同一の材質あるいは濡れ性の高い材質で
基材をメッキすることが好ましい。また高熱伝導材料を
充填するための孔は、素材を平板状に加工した後、打抜
加工したり、精密鋳造法により鋳造時点で孔を形成する
方法等が使用できる。
欠陥の発生を防止するためには、あらかじめ充填すべき
高熱伝導材料と同一の材質あるいは濡れ性の高い材質で
基材をメッキすることが好ましい。また高熱伝導材料を
充填するための孔は、素材を平板状に加工した後、打抜
加工したり、精密鋳造法により鋳造時点で孔を形成する
方法等が使用できる。
【0009】本発明の半導体装置用基板を設計する場合
の一つの指標を示しておく。例えば発明の一実施例の構
造を示す図1において、一辺の長さがXである正方形の
貫通孔3を設けた放熱基板の基材1に破線部に示すユニ
ットセル5を図2のように想定すると、基材の耐力をG
とし、貫通孔内に充填する高熱伝導材料4の膨張力すな
わち応力をFとし、貫通孔間の格子2の厚さを2dとす
れば、次の条件を満たすことにより基材を破損すること
なく、熱膨張率を抑えることができる。 F・X<2d・G .......(1)
の一つの指標を示しておく。例えば発明の一実施例の構
造を示す図1において、一辺の長さがXである正方形の
貫通孔3を設けた放熱基板の基材1に破線部に示すユニ
ットセル5を図2のように想定すると、基材の耐力をG
とし、貫通孔内に充填する高熱伝導材料4の膨張力すな
わち応力をFとし、貫通孔間の格子2の厚さを2dとす
れば、次の条件を満たすことにより基材を破損すること
なく、熱膨張率を抑えることができる。 F・X<2d・G .......(1)
【0010】また、図2に示す構造の放熱基板において
斜線部に示すユニットセル5における熱伝導率λは高熱
伝導材料4の熱伝導率λ1、基材1の熱伝導率をλ2とす
れば λ=(λ1X2+λ2(4・X・d+4d2))/(X+2d)2 .......(2) となる。すなわちできるだけ高熱伝導材料の占める面積
を増やし、ユニットセルの熱伝導率を高めることが好ま
しいのである。この時上述の(1)式を満足させるように
貫通孔3の大きさを定めることになる。なお上記説明は
単純化したモデルによるものであり、貫通孔の形状が個
々に異なっていてもよい。その場合はそれぞれの形状お
よび使用条件による熱応力に耐える構造にする必要があ
る。
斜線部に示すユニットセル5における熱伝導率λは高熱
伝導材料4の熱伝導率λ1、基材1の熱伝導率をλ2とす
れば λ=(λ1X2+λ2(4・X・d+4d2))/(X+2d)2 .......(2) となる。すなわちできるだけ高熱伝導材料の占める面積
を増やし、ユニットセルの熱伝導率を高めることが好ま
しいのである。この時上述の(1)式を満足させるように
貫通孔3の大きさを定めることになる。なお上記説明は
単純化したモデルによるものであり、貫通孔の形状が個
々に異なっていてもよい。その場合はそれぞれの形状お
よび使用条件による熱応力に耐える構造にする必要があ
る。
【0011】
【実施例】(実施例1)外周寸法70×100×5t、
格子肉厚2d=2、貫通孔寸法X=5(mm)である図
1に示す基材を、Ni36wt%残部実質的にFeより
なるインバー合金をロストワックス精密鋳造することに
より製造した。この基材1をショットブラスト処理した
後Cuメッキを施し、次いで20%水素+80%窒素の
還元性雰囲気中で1120℃のCu浴に浸漬し30分保
持後冷却して貫通孔3にCuを充填した。この材料の表
面を研削して肉厚4mmの半導体装置用基板を得た。
格子肉厚2d=2、貫通孔寸法X=5(mm)である図
1に示す基材を、Ni36wt%残部実質的にFeより
なるインバー合金をロストワックス精密鋳造することに
より製造した。この基材1をショットブラスト処理した
後Cuメッキを施し、次いで20%水素+80%窒素の
還元性雰囲気中で1120℃のCu浴に浸漬し30分保
持後冷却して貫通孔3にCuを充填した。この材料の表
面を研削して肉厚4mmの半導体装置用基板を得た。
【0012】得られた半導体装置用基板の0〜300℃
の熱膨張係数は6.2×10マイナス6乗/℃であっ
た。次にセラミックス材料との接合性を評価するため
に、得られた基板全面にNiメッキを施した後、厚さ3
mmのアルミナ板を半田で接合した。この複合材を室温
と100℃の間を加熱と衝風冷却により20回繰り返し
た後、超音波測定を行ない剥離が発生しないことを確認
した。またこの複合材の熱伝導率は190W/m・Kで
あり高い熱伝導率が確保できることがわかった。
の熱膨張係数は6.2×10マイナス6乗/℃であっ
た。次にセラミックス材料との接合性を評価するため
に、得られた基板全面にNiメッキを施した後、厚さ3
mmのアルミナ板を半田で接合した。この複合材を室温
と100℃の間を加熱と衝風冷却により20回繰り返し
た後、超音波測定を行ない剥離が発生しないことを確認
した。またこの複合材の熱伝導率は190W/m・Kで
あり高い熱伝導率が確保できることがわかった。
【0013】(実施例2)外周寸法100×100×3
t、格子肉厚2d=2、貫通孔の6角形の一辺=5(m
m)である図3に示す基材1を、Ni31wt%、Co
5wt%および残部実質的にFeよりなる肉厚3mmの
スーパーインバー合金板を打ち抜くことにより製造し
た。この基材にCuメッキを施し、各貫通孔3に底面が
一辺4.8mmの6角形であり高さ4mmの6角柱状の
Cuを打込嵌合してから20%水素+80%窒素の還元
性雰囲気中で700℃、120分保持し、次いで両面を
研磨して肉厚2.5mmの半導体装置用基板を得た。
t、格子肉厚2d=2、貫通孔の6角形の一辺=5(m
m)である図3に示す基材1を、Ni31wt%、Co
5wt%および残部実質的にFeよりなる肉厚3mmの
スーパーインバー合金板を打ち抜くことにより製造し
た。この基材にCuメッキを施し、各貫通孔3に底面が
一辺4.8mmの6角形であり高さ4mmの6角柱状の
Cuを打込嵌合してから20%水素+80%窒素の還元
性雰囲気中で700℃、120分保持し、次いで両面を
研磨して肉厚2.5mmの半導体装置用基板を得た。
【0014】得られた半導体装置用基板の0〜300℃
の熱膨張係数は4.1×10マイナス6乗/℃であっ
た。次にセラミックス材料との接合性を評価するため
に、得られた基板全面にNiメッキを施した後、厚さ2
mmの窒化アルミニウム板を半田で接合した。この複合
材を室温と100℃の間を加熱と衝風冷却により100
回繰り返した後、超音波測定を行ない剥離が発生しない
ことを確認した。またこの複合材の熱伝導率は260W
/m・Kであり高い熱伝導率が確保できることがわかっ
た。
の熱膨張係数は4.1×10マイナス6乗/℃であっ
た。次にセラミックス材料との接合性を評価するため
に、得られた基板全面にNiメッキを施した後、厚さ2
mmの窒化アルミニウム板を半田で接合した。この複合
材を室温と100℃の間を加熱と衝風冷却により100
回繰り返した後、超音波測定を行ない剥離が発生しない
ことを確認した。またこの複合材の熱伝導率は260W
/m・Kであり高い熱伝導率が確保できることがわかっ
た。
【0015】(実施例3)外周寸法70×100×10
t、格子肉厚2d=2、貫通孔寸法X=5、底面肉厚D
=2、縁部高さH=3(mm)である図4に示す船型形
状を、Ni32.5wt%、Co14.5wt%、Al
0.8wt%、Ti2.3wt%残部実質的にFeより
なる合金をロストワックス精密鋳造することにより製造
した。この材料の閉塞孔6に高熱伝導材料4として60
〜120メッシュのCu粉末を加圧充填したのち、20
%水素+80%窒素の還元性雰囲気中で1050℃の1
20分で焼結した。この焼結品を300℃で肉厚5mm
まで温間圧延し、次いで両面を表面を研削して肉厚3m
mの半導体装置用基板を得た。
t、格子肉厚2d=2、貫通孔寸法X=5、底面肉厚D
=2、縁部高さH=3(mm)である図4に示す船型形
状を、Ni32.5wt%、Co14.5wt%、Al
0.8wt%、Ti2.3wt%残部実質的にFeより
なる合金をロストワックス精密鋳造することにより製造
した。この材料の閉塞孔6に高熱伝導材料4として60
〜120メッシュのCu粉末を加圧充填したのち、20
%水素+80%窒素の還元性雰囲気中で1050℃の1
20分で焼結した。この焼結品を300℃で肉厚5mm
まで温間圧延し、次いで両面を表面を研削して肉厚3m
mの半導体装置用基板を得た。
【0016】得られた半導体装置用基板の0〜300℃
の熱膨張係数は4.4×10マイナス6乗/℃であっ
た。次に得られた半導体用基板を半導体用シリコン基板
に金と錫の合金でなるろう材により接合し、室温と10
0℃の間を加熱と衝風冷却により100回繰り返した
後、超音波測定を行ない剥離が発生しないことを確認し
た。
の熱膨張係数は4.4×10マイナス6乗/℃であっ
た。次に得られた半導体用基板を半導体用シリコン基板
に金と錫の合金でなるろう材により接合し、室温と10
0℃の間を加熱と衝風冷却により100回繰り返した
後、超音波測定を行ない剥離が発生しないことを確認し
た。
【0017】
【発明の効果】本発明の半導体装置用基板は半導体を構
成するシリコンあるいは窒化アルミニウム等のセラミッ
クス材料の熱膨張係数との差が少なく、半導体装置の放
熱性を高め、装置の信頼性を高めることが可能になる。
また本発明では高熱伝導性を有するCu等を使用できる
ため、従来のMoあるいはW板を使用する場合に比較し
て安価に構成できるという利点を有するものである。
成するシリコンあるいは窒化アルミニウム等のセラミッ
クス材料の熱膨張係数との差が少なく、半導体装置の放
熱性を高め、装置の信頼性を高めることが可能になる。
また本発明では高熱伝導性を有するCu等を使用できる
ため、従来のMoあるいはW板を使用する場合に比較し
て安価に構成できるという利点を有するものである。
【図1】本発明の半導体装置用基板の一実施例を示す図
である。
である。
【図2】本発明の半導体装置用基板の貫通孔部の一例を
示す図である。
示す図である。
【図3】本発明の半導体装置用基板の別の例を示す図で
ある。
ある。
【図4】本発明の製造工程の一例を説明するたの図であ
る。
る。
【符号の説明】 1 基材、2 格子、3 貫通孔、4 高熱伝導材料、
5 ユニットセル、6閉塞孔
5 ユニットセル、6閉塞孔
Claims (1)
- 【請求項1】 0℃〜300℃の温度範囲にて8×10
マイナス6乗以下の熱膨張係数を有する金属または合金
でなる基材と、該基材の放熱対象となる物品と接合され
る面に設けられた1または複数個の孔と、該孔に充填さ
れた熱伝導率が210W/(m・K)以上の金属または
合金でなる高熱伝導材料とを具備する半導体装置用基
板。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11801393A JPH06334074A (ja) | 1993-05-20 | 1993-05-20 | 半導体装置用基板 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11801393A JPH06334074A (ja) | 1993-05-20 | 1993-05-20 | 半導体装置用基板 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06334074A true JPH06334074A (ja) | 1994-12-02 |
Family
ID=14725901
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11801393A Pending JPH06334074A (ja) | 1993-05-20 | 1993-05-20 | 半導体装置用基板 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH06334074A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2849804A1 (fr) * | 2003-01-15 | 2004-07-16 | Toyota Jidoshokki Kk | Materiau composite et procede pour le produire |
US6917638B2 (en) | 2000-10-16 | 2005-07-12 | Yamaha Corporation | Heat radiator for electronic device and method of making it |
US7097914B2 (en) | 2001-08-28 | 2006-08-29 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Composite structural material, and method of producing the same |
JP2007088030A (ja) * | 2005-09-20 | 2007-04-05 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 半導体装置 |
US7745914B2 (en) | 2005-03-22 | 2010-06-29 | Kyocera Corporation | Package for receiving electronic parts, and electronic device and mounting structure thereof |
TWI411389B (zh) * | 2010-05-18 | 2013-10-01 | Ckm Building Material Corp | 利用微孔板體散熱之方法 |
-
1993
- 1993-05-20 JP JP11801393A patent/JPH06334074A/ja active Pending
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