TW202243156A - 散熱片一體型絕緣電路基板 - Google Patents

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大橋東洋
黒光祥郎
岩崎航
坂庭慶昭
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Abstract

本發明之散熱片一體型絕緣電路基板係具備散熱片(20)與絕緣樹脂層(12)與電路層(13)；電路層(13)係以銅或銅合金所構成，散熱片(20)之頂板部(21)係成為具備鋁或鋁所成鋁層(21a)和銅層(21c)的覆蓋構造，於銅層(21c)之表面，形成絕緣樹脂層(12)，鋁層(21a)之厚度(ta)和銅層(21c)之厚度(tc)之比(ta/tc)為30以下。

Description

散熱片一體型絕緣電路基板
此發明係有關具備散熱片，和形成於此散熱片之頂板部之絕緣樹脂層、和形成於此絕緣樹脂層之一方面之電路層的散熱片一體型絕緣電路基板。 本發明係根據於2021年3月12日，日本申請之日本特願2021-040439號主張優先權，將此內容援用於此。
於功率模組、LED模組及熱電模組中，於絕緣層之一方之面，形成導電材料所成之電路層的絕緣電路基板，成為接合功率半導體元件、LED元件及熱電元件之構造。然而，做為絕緣層，提案有使用陶瓷者或使用絕緣樹脂者。 做為具備絕緣樹脂層之絕緣電路基板，例如於專利文獻1中，提案有經由將散熱片與電路層經由絕緣樹脂薄片加以絕緣的散熱片一體型絕緣電路基板。
又，於專利文獻2中，揭示有在於熱產生構件之至少一個面，隔著熱傳導性絕緣黏著膜，黏著散熱基座基板之複合構件。於此專利文獻2中，為了抑制伴隨溫度變化，經由散熱構件及熱產生構件之膨脹或伸縮所產生之應力，於熱傳導性絕緣黏著膜產生龜裂，規定剪力黏著力與熱應力之關係、及斷裂伸度與加熱變形之關係， [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平11-204700號公報(A) [專利文獻2]日本特開2019-041111號公報(A)
[發明欲解決之課題]
然而，於之散熱片之頂板部，形成絕緣樹脂層、於此絕緣樹脂層之上，形成電路層的散熱片一體型絕緣電路基板中，會由於溫度變化，產生對於正交於面之方向之應力，而產生彎曲。 於散熱片一體型絕緣電路基板中，產生彎曲之時，會有電路層之端部從絕緣樹脂層剝離，此剝離發展到絕緣樹脂層之內部之疑慮。 在此，於專利文獻2中，雖對於面內之應力或應變有進行評估，對於正交於面之方向之應力，則未加考慮。為此，完全未對應到電路層之剝離或絕緣樹脂層之內部剝離。
此發明係有鑑於上述情事而成，提供經由抑制溫度變化所成對於正交於面之方向之應力產生，可抑制電路層與絕緣樹脂層之剝離，或絕緣樹脂層之內部剝離之產生，在可靠性優異之散熱片一體型絕緣電路基板為目的。 [為解決課題之手段]
為解決前述課題，本發明人等進行專業之檢討之結果，發現經由適切化銅層與鋁層之厚度比，可減低溫度變化所造成對於正交於面之方向之應力。 即，令散熱片之頂板部成為層積銅層與鋁層之覆蓋構造，變更銅層之厚度、鋁層之厚度，經由熱計算溫度變化所造成對於正交於面之方向之應力，求得此等之厚度之適切範圍。
本發明係根據上述之發現而成者，關於本發明之一形態之散熱片一體型絕緣電路基板(以下稱為本發明之散熱片一體型絕緣電路基板)係具備散熱片，和形成於此散熱片之頂板部之絕緣樹脂層、和形成於此絕緣樹脂層之一方面之電路層；前述電路層係以銅或銅合金所構成，前述散熱片之頂板部係成為具備鋁或鋁所成鋁層和層積於此鋁層之銅層的覆蓋構造，於前述銅層之表面，形成前述絕緣樹脂層，前述鋁層之厚度ta和前述銅層之厚度tc之比ta/tc為30以下為特徵。
根據此構成之散熱片一體型絕緣電路基板時，散熱片之頂板部成為層積銅層與鋁層之覆蓋構造，前述鋁層之厚度ta和前述銅層之厚度tc之比ta/tc為30以下之故，可減低經由溫度變化所產生對於正交於面之方向之應力，可抑制電路層與絕緣樹脂層之剝離，或絕緣樹脂層之內部剝離之產生。
在此，本發明之散熱片一體型絕緣電路基板中，前述絕緣樹脂層係可含有無機材料之填料為佳。 此時，由於確保絕緣樹脂層之熱傳導性，可將來自搭載於電路層上之熱源之熱，向散熱片側有效率加以傳達，在散熱片側有效率地散熱。
又，本發明之散熱片一體型絕緣電路基板中，前述散熱片係具備散熱鰭片為佳。 此時，提升前述散熱片之散熱特性，可將來自搭載於電路層上之熱源之熱，在散熱片側有效率加以散熱。 [發明效果]
根據本發明時，可提供抑制溫度變化所造成對於正交於面之方向之應力之產生，可抑制電路層與絕緣樹脂層之剝離，或絕緣樹脂層之內部剝離之產生，在可靠性優異之散熱片一體型絕緣電路基板。
以下，對於本發明之實施形態，參照附件圖面加以說明。 於圖1，顯示本發明之實施形態之散熱片一體型絕緣電路基板10及使用此散熱片一體型絕緣電路基板10之功率模組1。
圖1所示功率模組1係具備散熱片一體型絕緣電路基板10、和於此散熱片一體型絕緣電路基板10之一方面(圖1中之上面)，隔著銲錫層2加以接合之半導體元件3。
半導體元件3係以Si等之半導體材料構成。接合散熱片一體型絕緣電路基板10與半導體元件3之銲錫層2係例如Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系之銲錫材(所謂無鉛銲錫材)。
絕緣樹脂層12係防止電路層13與散熱片20間之電性連接者，以具有絕緣性之樹脂加以構成。 本實施形態中，確保絕緣樹脂層12之強度的同時，為確保熱傳導性，使用含無機材料之填料之樹脂為佳。在此，做為填料，例如可使用氧化鋁、氮化硼、氮化鋁等。從確保絕緣樹脂層12之熱傳導性之觀點視之，填料之含有量係70mass%以上為佳，較佳為80mass%以上。 又，做為熱硬化型樹脂，可使用環氧樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚矽氧樹脂等。在此，環氧樹脂時，可使填料含70mass%以上，為聚矽氧樹脂時，可使填料含80mass%以上。
然而，為充分確保絕緣樹脂層12之絕緣性，令絕緣樹脂層12之厚度為50μm以上為佳，較佳為100μm以上。另一方面，為更確保散熱片一體型絕緣電路基板10之散熱性，令絕緣樹脂層12之厚度為250μm以下為佳，較佳為150μm以下。
電路層13係如圖4示，於絕緣樹脂層12之一方之面(圖4之上面，即與散熱片20相反側之面))，經由接合導電性優異之銅或銅合金所成金屬片33加以形成。做為構成電路層13之金屬片33，例如可使用打穿無氧銅(OFC)之軋板。 於此電路層13中，形成電路圖案，該一方之面(圖1之上面)則成為搭載半導體元件3之搭載面。 在此，電路層13之厚度t係成為在0.1mm以上3.0mm以下之範圍內為佳。經由令電路層13之厚度t成為0.1mm以上，可充分擴展半導體元件3之發熱。另一方面，經由令電路層13之厚度t成為3.0mm以下，可抑制電路圖案之形成精度之惡化或製造效率之惡化等之問題之產生。 然而，電路層13之厚度t係為了確保散熱性，較佳為0.3mm以上，更佳為0.5mm以上。然而，電路層13之厚度t係較佳成為2.5mm以下，更佳為2.0mm以下。
散熱片一體型絕緣電路基板10係具備散熱片20，和形成於此散熱片20之頂板部21之一方面(圖1中上面)之絕緣樹脂層12、和形成於絕緣樹脂層12之一方面(圖1中上面)之電路層13。然而，上述半導體元件3係接合於電路層13之一方之面(圖1之上面)。
散熱板20係具備頂板部(板狀構件)21、和從此頂板部21之另一方面(圖1中下面)突出之散熱鰭片25。 於此散熱片20中，伴隨以頂板部21將熱向面方向擴散之同時，藉著散熱鰭片25，向外部散熱之構成。
散熱片20之頂板部21係如圖1所示，成為層積銅層21c和鋁層21a之覆蓋構造，於銅層21c之表面，形成絕緣樹脂層12。 銅層21c係以純銅或銅合金所構成，本實施形態中，係以無氧銅所構成。 鋁層21a係以純鋁或鋁合金所構成，本實施形態中，係以A6063合金所構成。除了A6063之外，可使用A3003等之鋁合金。做為純鋁，可使用純度為99mass%以上之2N-Al、純度為99.9mass%以上之3N-Al、純度為99.99mass%以上之4N-Al等。
然後，構成頂板部21之鋁層21a之厚度ta和銅層21c之厚度tc之比ta/tc為30以下。比ta/tc為超過30之時，經由在熱處理時，起因構件之線膨脹差之熱應力，自金屬(銅層21c)與樹脂界面端部剝離。 在此，鋁層21a之厚度ta與銅層21c之厚度tc之比ta/tc係、20以下為佳，更佳為10以下。鋁層21a之厚度ta與銅層21c之厚度tc之比ta/tc之下限雖未特別加以限制，0.1以上為佳，更佳為0.5以上。
又，本實施形態中，構成頂板部21之銅層21c之厚度tc為0.1mm以上3.0mm以下之範圍內為佳。使銅層21c之厚度tc成為0.1mm以上時，可抑制由固相擴散接合，形成層積鋁層21a與銅層21c之覆蓋構造之時，銅層21c所有變更為金屬間化合物，使散熱性惡化之情形。另一方面，經由銅層21c之厚度tc成為3.0mm以下，可抑制銅之加工性之面所產生之問題。 在此，銅層21c之厚度tc係較佳為0.3mm以上，更佳為0.5mm以上。又，銅層21c之厚度tc係較佳為3.0mm以下，更佳為2.0mm以下。
又，本實施形態中，構成頂板部21之鋁層21a之厚度ta為0.1mm以上5.0mm以下之範圍內為佳。經由鋁層21a之厚度ta成為0.1mm以上，可抑制鰭片加工面所產生之問題。另一方面，經由鋁層21a之厚度ta成為5.0mm以下，可抑制散熱性之惡化。 在此，鋁層21a之厚度ta係較佳為1.0mm以上，更佳為2.0mm以上。又，鋁層21a之厚度ta係較佳為4.0mm以下，更佳為3.0mm以下。
然而，散熱鰭片25係連接於鋁層21a，於本實施形態中，散熱鰭片25亦以與鋁層21a相同材質(A6063合金)所構成。散熱鰭片25係以與鋁層21a不同材質加以構成亦可。 又，散熱鰭片25係可成為柱狀鰭片構造，亦可為梳形構造，其他之構造亦可。而，令形成散熱鰭片25之處所之散熱鰭片25所佔體積比例成為10%以上40%以下之範圍內為佳。
接著，對於本實施形態之散熱片一體型絕緣電路基板10之製造方法，參照圖2至圖4加以說明。
(頂板部形成工程S01) 首先，形成層積鋁層21a與銅層21c之覆蓋構造之頂板部21。 本實施形態中，如圖3所示，層積鋁板31a與銅板31c，於層積方向經由加壓及加熱，固相擴散接合鋁板31a與銅板31c，形成覆蓋構造之頂板部21。然而，於本實施形態中，如圖3所示，於鋁板31a，形成散熱鰭片25之狀態下，與銅板31c接合。 在此，鋁板31a與銅板31c之固相擴散接合之條件係加熱溫度為400℃以上不足548℃之範圍內，加壓荷重為0.1MPa以上3.5MPa以下之範圍內，保持時間為5分以上240分以下之範圍內為佳。
(樹脂組成物配設工程S02) 接著，如圖4所示，於散熱片20之頂板部21(銅層21c)之一方面(圖4中之上面)，配設含有無機材料之填料與樹脂與硬化劑之樹脂組成物32。本實施形態中，樹脂組成物32係使用薄片狀者。
(金屬片配置工程S03) 接著、於樹脂組成物32之一方面(圖4中之上面)，將成為電路層13之複數之金屬片33，配置成電路圖案狀。
(加壓及加熱工程S04) 接著，經由加壓裝置，伴隨將散熱片20和樹脂組成物32和金屬片33，向層積方向加壓，經由加熱、硬化樹脂組成物32，形成絕緣樹脂層12之同時，接合散熱片20之頂板部21(銅層21c)與絕緣樹脂層12、絕緣樹脂層12與金屬片33。
於此加壓及加熱工程S04中，加熱溫度係在120℃以上350℃以下之範圍內，加熱溫度之保持時間在10分以上180分以下之範圍內為佳。又，層積方向之加壓荷重係以1MPa以上30MPa以下之範圍內為佳。 在此，加熱溫度之下限係成為150℃以上為佳，更佳為170℃以上。另一方面，加熱溫度之上限係以250℃以下為佳，更佳為200℃以下。 加熱溫度之保持時間之下限係成為30分以上為佳，更佳為60分以上。另一方面，加熱溫度之保持時間之上限係成為120分以下為佳，更佳為90分以下。 層積方向之加壓荷重之下限係成為5MPa以上為佳，更佳為8MPa以上。另一方面，層積方向之加壓荷重之上限係成為15MPa以下為佳，更佳為10MPa以下。
經由上述各工程，製造本實施形態之散熱片一體型絕緣電路基板10。
關於如以上構成之本實施形態之散熱片一體型絕緣電路基板10時，散熱片20之頂板部21成為層積銅層21c與鋁層21a之覆蓋構造，鋁層21a之厚度ta和銅層21c之厚度tc之比ta/tc為30以下之故，可減低經由溫度變化所產生對於正交於面之方向之應力，可抑制電路層13與絕緣樹脂層12之剝離，或絕緣樹脂層12之內部剝離之產生。
於本實施形態中，絕緣樹脂層12係含有無機材料之填料之故，絕緣樹脂層12之熱傳導性被確保，可將來自搭載於電路層13上之半導體元件3之熱，在散熱片20側有效率加以傳達。
又，本實施形態中，散熱片20具備散熱鰭片25之故，可提升散熱片20之散熱特性，可將來自搭載於電路層13上之半導體元件3之熱，在散熱片20側有效率加以散熱。
以上，雖對於本發明的實施形態做了說明，但本發明非限定於此，在不脫離該發明之技術思想之範圍下，可適切加以變更。 於本實施形態中，雖做為經由圖2至圖4所示散熱片一體型絕緣電路基板之製造方法，製造散熱片一體型絕緣電路基板進行說明，但非限定於此。 例如，本實施形態中，做為經由固相擴散接合銅板與鋁板，形成覆蓋構造之頂板部者加以說明，但非限定於此，經由在於鋁板之表面電鍍銅層，形成覆蓋構造之頂板部亦可。
更且，本實施形態中，雖做為於散熱片一體型絕緣電路基板搭載半導體元件構成功率模組者做了說明，但非限定於此。例如，可於散熱片一體型絕緣電路基板之電路層搭載LED元件構成LED模組亦可，於散熱片一體型絕緣電路基板之電路層搭載熱電元件構成熱電模組亦可。
又，本實施形態中，做為絕緣樹脂層含有無機材料之填料者做了說明，但非限定於此，亦可為不含有無機材料之填料者。 更且，本實施形態中，雖做為散熱片具備散熱鰭片者加以說明，但非限定於此，不具備散熱鰭片之構造之散熱片亦可。 [實施例]
以下，對於確認本發明之效果所進行之確認實驗結果加以說明。
於表1所示構造之散熱片之頂板部(50mm×50mm、厚度係記載於表1)，配置表1所示樹脂組成物之薄片材，於此樹脂組成物之薄片材上，配置表1所示形成電路層之金屬片，將層積之散熱片和樹脂組成物之薄片材和金屬片，邊向層積方向加壓，邊加熱、硬化樹脂組成物，形成絕緣樹脂層之同時，接合散熱片之頂板部與絕緣樹脂層及絕緣樹脂層與金屬片，得散熱片一體型絕緣電路基板。然而，層積方向之加壓壓力係1MPa，加熱溫度係530℃，加熱溫度之保持時間為60分。又，於表1中，「Al 2O 3,BN」係顯示使用令氧化鋁與BN以1：4(體積比)混合之填料。 如以上所述，對於所得散熱片一體型絕緣電路基板，對於以下之項目，加以評估。
(熱處理後之破裂) 對於所得散熱片一體型絕緣電路基板，實施300℃×10分之熱處理，確認絕緣樹脂層之破裂狀況。然而，將熱處理後之散熱片一體型絕緣電路基板，切斷於俯視所視矩形之對角線上，進行1000μm×1000μm之剖面觀察，絕緣樹脂層之破裂長為絕緣樹脂層之對角線長度之2%以上時為「B」，不足2%之時為「A」。複數處所產生破裂時，最大之破裂長為對角線長度之2%以上時為「B」，不足2%之時為「A」。
Figure 02_image001
令頂板部僅以鋁構成之比較例1中，於熱處理後，確認到絕緣樹脂層之破裂。 令頂板部成為鋁層與銅層之層積構造，鋁層之厚度ta與銅層之厚度tc之比ta/tc超過30之比較例2中，於熱處理後，確認到絕緣樹脂層之破裂。
相較之下。令頂板部成為鋁層與銅層之層積構造，鋁層之厚度ta與銅層之厚度tc之比ta/tc為30以下之本發明例1~14中，可充分抑制熱處理後之絕緣樹脂層之破裂。
由以上可確認，根據本發明例時，可提供抑制溫度變化所造成對於正交於面之方向之應力之產生，可抑制電路層與絕緣樹脂層之剝離，或絕緣樹脂層之內部剝離之產生，在可靠性優異之散熱片一體型絕緣電路基板。 [產業上的可利用性]
根據本發明時，可提供抑制電路層與絕緣樹脂層之剝離，或絕緣樹脂層之內部剝離之產生之散熱片一體型絕緣電路基板。
10:散熱片一體型絕緣電路基板 12:絕緣樹脂層 13:電路層 20:散熱片 21:頂板部 21c:銅層 21a:鋁層 25:散熱鰭片
[圖1]關於本發明之實施形態之具備散熱片一體型絕緣電路基板之功率模組之概略說明圖。 [圖2]說明關於本發明之實施形態之散熱片一體型絕緣電路基板之製造方法之一例之流程圖。 [圖3]有關本發明的實施形態之散熱片一體型絕緣電路基板之製造方法之概略說明圖。 [圖4]有關本發明的實施形態之散熱片一體型絕緣電路基板之製造方法之概略說明圖。
1:功率模組
2:銲錫層
3:半導體元件
10:散熱片一體型絕緣電路基板
12:絕緣樹脂層
13:電路層
20:散熱片
21:頂板部
21c:銅層
21a:鋁層
25:散熱鰭片
t,ta,tc:厚度

Claims (3)

  1. 一種散熱片一體型絕緣電路基板，其特徵係具備散熱片，和形成於此散熱片之頂板部之絕緣樹脂層、和形成於此絕緣樹脂層之一方面之電路層； 前述電路層係以銅或銅合金所構成， 前述散熱片之頂板部係成為具備鋁或鋁合金所成鋁層和層積於此鋁層之銅層的覆蓋構造，於前述銅層之表面，形成前述絕緣樹脂層， 前述鋁層之厚度ta和前述銅層之厚度tc之比ta/tc為30以下。
  2. 如請求項1記載之散熱片一體型絕緣電路基板，其中，前述絕緣樹脂層係含有無機材料之填料。
  3. 如請求項1或2記載之散熱片一體型絕緣電路基板，其中，前述散熱片係具備散熱鰭片。
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