WO2011058607A1 - 絶縁性構造及びその製造方法 - Google Patents

絶縁性構造及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2011058607A1
WO2011058607A1 PCT/JP2009/006063 JP2009006063W WO2011058607A1 WO 2011058607 A1 WO2011058607 A1 WO 2011058607A1 JP 2009006063 W JP2009006063 W JP 2009006063W WO 2011058607 A1 WO2011058607 A1 WO 2011058607A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ceramic
phase
layer
insulating
insulating heat
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/006063
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佐藤桂司
石原昌作
Original Assignee
株式会社日立製作所
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 株式会社日立製作所 filed Critical 株式会社日立製作所
Priority to JP2011540337A priority Critical patent/JP5486608B2/ja
Priority to PCT/JP2009/006063 priority patent/WO2011058607A1/ja
Priority to EP09851241.1A priority patent/EP2500936A4/en
Publication of WO2011058607A1 publication Critical patent/WO2011058607A1/ja

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4803—Insulating or insulated parts, e.g. mountings, containers, diamond heatsinks
    • H01L21/4807—Ceramic parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/142—Metallic substrates having insulating layers
    • 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
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to an insulating heat conduction structure and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 discloses an insulating heat conduction structure in which a ceramic layer is directly formed on a metal substrate using an aerosol deposition method, and a power having an insulating heat conduction structure. A semiconductor module is described.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an insulating heat conductive structure having both excellent heat conductivity and stability against a heat deformation action due to a temperature cycle or the like.
  • the present inventor has found the following insulating heat conducting structure and its manufacturing method from various examination results.
  • the present invention provides an insulating heat conducting structure comprising a metal base material, an insulating layer formed on the metal base material, and a metal layer formed on the insulating layer.
  • the insulating layer includes a ceramic layer and a resin phase.
  • a step of forming a ceramic phase on a metal substrate by a particle collision film formation method a step of forming a resin phase between the ceramic phases, and a step of forming a metal layer on the ceramic phase and the resin phase It is characterized by including these.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an insulating thermal conductor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an XX cross-sectional view of the insulating thermal conductor shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a manufacturing process of the insulating heat conductor in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an insulating thermal conductor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a manufacturing process of the insulating heat conductor in the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1-10 A first embodiment and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
  • an example in which an insulating thermal conductor used for a power semiconductor module is formed will be described as an example, but the use of the insulating thermal conductor is not limited to the following embodiment.
  • the insulating high thermal conductive structure 1 has, for example, an insulating layer on at least a part of the surface of a plate-like metal substrate 2 made of Al or an Al alloy in order from the metal substrate side. 3 and circuit layer 4 are provided.
  • a conductive material having high thermal conductivity such as Cu, Cu alloy, Al, or Al alloy can be used.
  • the metal substrate 2 There are no restrictions on the shape and thickness of the metal substrate 2, and various shapes and thicknesses such as a plate shape, a foil shape, and a comb tooth shape can be appropriately selected according to the usage of the insulating heat conductor 1.
  • the insulating layer 3 is composed of a composite phase of a ceramic phase 31 and a resin phase 32, and in the cross section of the insulating layer 3, a plurality of ceramic phases 31 composed of deposited ceramic particles are separated into a plurality of independent phases.
  • the resin phase 32 is formed in a pattern and in a form in which a part of the ceramic phase 31 is embedded in the metal substrate 2 and the circuit layer 4 and is impregnated in the space between the ceramic phases 31.
  • an insulating material having high thermal conductivity for example, aluminum oxide, silicon oxide, aluminum nitride, silicon nitride, boron nitride, diamond, silicon carbide can be used.
  • the ceramic phase 31 is formed in such a manner that a part of the ceramic phase is buried in the metal base 2 as shown in FIG. 3B with respect to the surface of the metal base 2 shown in FIG.
  • a particle collision film formation method represented by an aerosol deposition method or a cold spray method using ceramic particles as a raw material.
  • An example of the aerosol deposition method is to spray a ceramic fine powder in a solid state onto a substrate at room temperature, so that the ceramic coating is dense, highly transparent, high in strength, and high in adhesion with only mechanical impact without heating.
  • the cold spray method is a film forming method in which deposition and coating are performed by spraying material powder on a surface of an object in a high-temperature and high-speed flow.
  • a mask pattern is arranged in advance on the surface of the metal substrate 2 where the grooves are formed, and the ceramic particles collide with the film forming method described above. The method is preferred. After the film formation, the mask pattern is removed before the resin phase 32 is formed.
  • the resin phase 32 is not particularly limited as long as the required withstand voltage and stress relaxation function are satisfied.
  • an epoxy resin or a polyimide resin can be used.
  • the method for forming the resin phase 32 is not particularly limited as long as the gap between the ceramic phases 31 can be impregnated, as shown in FIG.
  • the coating method can be used.
  • the gap between the ceramic phases 31 includes both the gap between the ceramic particles and the groove between the ceramic patterns.
  • the thickness of the insulating layer 3 is not limited, but is preferably 1 ⁇ m to 100 ⁇ m. Since the thickness of the insulating layer 3 is 1 ⁇ m or more, the mechanical strength and withstand voltage against the external force of the insulating layer 3 are sufficiently secured, and the thickness of the insulating layer 2 is 100 ⁇ m or less, so that the thermal resistance of the insulating layer 3 Is sufficiently small. Further, the height of the resin layer 32 is preferably lower than the height of the ceramic phase 31 from the viewpoint of thermal conductivity because the area where the ceramic phase and the circuit layer are in contact with each other increases.
  • the circuit layer 4 is a metal layer that serves as circuit wiring.
  • a conductive material having a high thermal conductivity such as Cu, Cu alloy, Al, or Al alloy can be used.
  • the formation method of the circuit layer 4 it is preferable to use a formation method in which a part of the insulating layer 3 (particularly the ceramic phase 31) can be buried in the circuit layer 4, as shown in FIG. It is preferable to use a metal foil vacuum press or a particle collision film forming method represented by an aerosol deposition method or a cold spray method using metal particles as a raw material.
  • the underlying material In the particle collision deposition method, the underlying material must be softer than the material to be deposited.
  • the resin phase 32 exists as a base layer, the metal particles for forming the circuit layer 4 collide with the resin phase 32 to form a layer. Since the resin phase 32 exists below the ceramic phase 31, the circuit layer 4 starts to be formed at a height below the upper end of the ceramic phase 31, so that the ceramic phase 31 is buried in the circuit phase 4. Is done.
  • the circuit layer is thus formed by the above-described formation method, as shown in FIG. 1B, a part of the ceramic phase and the resin phase is buried in the circuit layer, and the insulating layer and the circuit layer are joined by the anchor effect. The part has a high bonding strength.
  • the joining of the metal base 2 and the circuit layer 4 is mostly a joining structure through only the ceramic phase 31, and therefore has excellent thermal conductivity,
  • the thickness of the insulating layer 3 can be reduced, and the thermal resistance of the insulating layer 3 can be reduced. Can be reduced.
  • the joint between the insulating layer 3, the metal base 2 and the circuit layer 4 is high due to the anchor effect. Has bonding strength.
  • the ceramic phase 31 composed of a large number of deposited ceramic particles exists in a plurality of independent patterns, and in addition, the resin phase 32 interposed between the ceramic phases 31 promotes stress relaxation of the insulating layer 3. Therefore, even when subjected to a thermal deformation action such as a temperature cycle, the thermal stress applied to each ceramic phase 31 is small, and the thermal stress is not locally concentrated even in the entire insulating layer 3. Therefore, cracks and peeling of the insulating layer 3 are suppressed, and excellent stability against the heat deformation action is obtained.
  • the manufacturing process can be simplified and the material cost can be reduced.
  • FIGS. 4 and 5 After referring to FIG. 1 (b), the same components as those in FIG. 1 (b) are denoted by the same reference numerals, and description of the components is omitted.
  • the difference between the second embodiment and the first embodiment is the shape of the junction between the insulating layer 3 and the circuit layer 4.
  • a groove is formed between the ceramic phases of the insulating layer.
  • the circuit layer 4 is formed on the insulating layer 3 having the groove, a circuit is formed.
  • the layer 4 is buried in the groove portion, and the joint between the insulating layer and the circuit layer has high joint strength due to the excellent anchor effect.
  • the process is the same as in the first embodiment until the ceramic phase 31 on the surface of the metal substrate 2 as shown in FIG. Then, a thin resin is applied to the entire surface of the metal base 2 between the ceramic phase 31 and the ceramic phase 31 (FIG. 5B). Since the amount of resin applied at this time is smaller than that in the first embodiment, the groove is not filled with the resin phase 32, and the circuit layer 4 is formed in the groove in a later step.
  • the formation of the insulating layer 3 is completed by removing the resin phase 32 on the upper surface of the ceramic phase 31 by polishing or the like [FIG. 5C].
  • the circuit layer 4 is formed on the insulating layer 3 (FIG. 5D).
  • the circuit layer 4 can be formed by vacuum pressing of metal foil or a particle collision film formation method.
  • the circuit layer 4 is bonded to the resin phase 32 with a high bonding strength by an anchor effect, and the ceramic phase 31 is buried in the circuit layer 4, thereby having a high bonding strength and a high thermal conductivity.
  • the structure according to the present invention can be used for all products requiring an insulating heat conduction structure, for example, modules such as IGBT, MOSFET, JFET, and diode, and is particularly suitable for a power semiconductor module.

Landscapes

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

Abstract

　優れた熱伝導性と、温度サイクル等による熱変形作用に対する安定性を兼ね備えた絶縁性熱伝導構造の提供を目的とする。　本発明は、絶縁性熱伝導体を製造するにあたり、金属基材表面の少なくとも一部に、金属基材側から順に、絶縁層、回路層を備え、前記絶縁層はセラミック相と樹脂相の複合相からなり、前記絶縁層断面では、多数堆積したセラミック粒子からなるセラミック相が、複数の独立したパターンで、且つ、前記セラミック相の一部が金属基材及び回路層に埋没した形態で形成され、樹脂相がセラミック相間の空隙に含浸された形態で形成された構造を特徴とする。

Description

絶縁性構造及びその製造方法
　本発明は、絶縁性熱伝導構造及びその製造方法に関する。
　近年の半導体モジュール、特に、大電流をスイッチ制御するパワー半導体モジュールでは、半導体デバイスの高出力化、高集積化の急速な進行とともに、半導体デバイスの発熱量が増大している。そこで、半導体デバイスの冷却効率の向上が要求され、優れた熱伝導性と、温度サイクル等による熱変形作用に対する安定性に優れる絶縁性基板が検討されている。例えば、特開２００６－２７８５５８号公報（特許文献１）には、エアロゾルデポジション法を用いて金属基材上にセラミック層を直接形成した絶縁性熱伝導構造、及び絶縁性熱伝導構造を有するパワー半導体モジュールが記載されている。
特開２００６－２７８５５８号公報
　しかしながら、従来の絶縁性熱伝導構造の課題として、熱伝導性と熱変形作用に対する安定性の両立が残されている。すなわち、絶縁層を構成するセラミック層と金属基材及び回路層に温度サイクル等による熱変形作用が与えられると、セラミック層と金属基材及び回路層の熱膨張差に応じた熱応力が生じ、セラミック層にクラックが生じる恐れがある。逆に、セラミック層と金属基材及び回路層界面の熱応力を緩和する目的で、熱膨張率の異なるセラミック層を複数積層すると、絶縁層の膜厚の増大とともに熱抵抗が増大し、絶縁性熱伝導構造の熱伝導性が悪くなる。
　本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、優れた熱伝導性と、温度サイクル等による熱変形作用に対する安定性を兼ね備えた絶縁性熱伝導構造の提供を目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明者は、種々の検討結果から以下の絶縁性熱伝導構造とその製造方法を見出した。
　本発明は、絶縁性熱伝導構造を製造するにあたり、金属基材と、前記金属基材上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された金属層とを備えた絶縁性熱伝導構造において、前記絶縁層は、セラミック層と、樹脂相とを備えたことを特徴とする。
　また、金属基材上に、粒子衝突成膜法によりセラミック相を形成する工程と、前記セラミック相の間に樹脂相を形成する工程と、前記セラミックス相及び樹脂相上に金属層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
　優れた熱伝導性と、温度サイクル等による熱変形作用に対する安定性を兼ね備えた絶縁性熱伝導構造を低コストで提供できる。
図１は、本発明の第１の実施形態における絶縁性熱伝導体を示す概略断面図である。 図２は、図１に示す絶縁性熱伝導体のＸ－Ｘ断面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態における絶縁性熱伝導体の製造工程を示す概略図である。 図４は、本発明の第２の実施形態における絶縁性熱伝導体を示す概略断面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態における絶縁性熱伝導体の製造工程を示す概略図である。
　以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
　本発明による第１の実施形態とその製造方法について、図１から図３を参照して詳細に説明する。尚、以下の実施形態においては、パワー半導体モジュールに用いる絶縁性熱伝導体を形成する形態を例に説明するが、絶縁性熱伝導体の用途は以下の実施例に制限されるものではない。
　本実施形態による絶縁高熱伝導構造体１は、図１に示すように、例えば、Ａｌ或いはＡｌ合金からなる板状の金属基材２表面の少なくとも一部に、金属基材側から順に、絶縁層３、回路層４を備えている。
　金属基材２には、熱伝導率が高い導電性材料、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金を使用できる。
　金属基材２の形状及び厚みに制約はなく、絶縁性熱伝導体１の使用形態に合わせ、板状、箔状、櫛歯状等の種々の形状と厚みを適宜選択できる。
　絶縁層３は、図１及び図２に示すように、セラミック相３１と樹脂相３２の複合相からなり、絶縁層３断面では、多数堆積したセラミック粒子からなるセラミック相３１が、複数の独立したパターンで、且つ、セラミック相３１の一部が金属基材２及び回路層４に埋没した形態で形成され、セラミック相３１間の空隙に含浸された状態で形成された樹脂相３２からなる。
　セラミック相３１には、熱伝導率が高い絶縁性材料、例えば、酸化アルミニウム、酸化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ボロン、ダイヤモンド、炭化珪素を使用できる。
　セラミック相３１の形成方法には、図３（ａ）に示す金属基材２表面に対し、図３（ｂ）に示すように、セラミック相の一部が金属基材２へ埋没する形態で形成できる方法が好ましく、例えば、セラミック粒子を原料としたエアロゾルデポジション法やコールドスプレー法に代表される粒子衝突成膜法を用いることが好ましい。一例であるエアロゾルデポジション法とは、固体状態のセラミックス微粉末を常温で基板に吹き付けることにより、加熱することなく機械的な衝撃力だけで、緻密かつ高透明、高強度、高密着力のセラミックス被膜を形成する成膜法であり、コールドスプレー法とは、材料粉末を高温・高速の流れにして物の表面に吹き付けて堆積・コーティングを行なう成膜法である。
　パターン間に溝を有する複数の独立したパターンでセラミック相３１を形成する上では、あらかじめ金属基材２表面の溝を形成する部分にマスクパターンを配置し、上記成膜方法でセラミック粒子を衝突させる方法が好ましい。成膜後、樹脂相３２形成前にマスクパターンを除去する。
　樹脂相３２には、要求される耐電圧と応力緩和機能を満足すれば、材料に特に制限はなく、例えば、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂を使用することができる。また、無機フィラー等の異相物を添加しても良い。
　樹脂相３２の形成方法には、図３（ｃ）に示すように、セラミック相３１間の空隙に含浸できれば、形成手法には特に制限はなく、グラビアコート、ディスペンサ塗布、転写法、スプレー塗布などの塗布方式が使用できる。ここで、セラミック相３１間の空隙とは、セラミック粒子の間の空隙と、セラミックパターンの間の溝との両方が含まれる。
　絶縁層３の厚さに制約はないが、１μｍから１００μｍとすることが好適である。絶縁層３の厚さが１μｍ以上となるので、絶縁層３の外力に対する機械的強度と耐電圧が十分に確保され、絶縁層２の厚さが１００μｍ以下となるので、絶縁層３の熱抵抗が十分小さくなる。また、樹脂層３２の高さは、セラミック相３１の高さよりも低いほうが、セラミック相と回路層が接する面積が大きくなるので、熱伝導性の観点から望ましい。
　回路層４とは、回路の配線となる金属の層である。回路層４には、熱伝導率が高い導電性材料、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金を使用できる。
　回路層４の形成方法には、図３（ｄ）に示すように、回路層４に絶縁層３の一部（特にセラミック相３１）を埋没させることができる形成方法の使用が好ましく、例えば、金属箔の真空プレスや、金属粒子を原料としたエアロゾルデポジション法やコールドスプレー法に代表される粒子衝突成膜法を用いることが好ましい。
　粒子衝突成膜法では、下地となる材料が、成膜する材料よりも柔らかくなくてはならない。本実施例では、下地層として樹脂相３２が存在することで、回路層４を形成するための金属粒子は樹脂相３２に衝突して層を形成する。樹脂相３２がセラミック相３１より下に存在することで、回路層４がセラミック相３１の上端より下の高さから形成され始めるので、セラミック相３１が回路相４に埋没されるように成膜される。このように上記形成方法で回路層を形成すると、図１（ｂ）に示すように、セラミック相と樹脂相の一部が回路層に埋没した構造となり、アンカー効果により絶縁層と回路層の接合部は高い接合強度を有する。
　本実施例に係る絶縁性熱伝導体によれば、金属基材２と回路層４の接合は、大部分がセラミック相３１のみを介した接合構造のため、優れた熱伝導性を有し、加えて、絶縁層３を構成するセラミック相３１において、熱応力の緩和を目的とする傾斜組成層を複数設ける必要がないため、絶縁層３の厚さを薄くでき、絶縁層３の熱抵抗を低減できる。
　また、絶縁層３を構成するセラミック相３１の一部が金属基材２及び回路層４に埋没しているため、アンカー効果により絶縁層３と金属基材２及び回路層４の接合部は高い接合強度を有する。
　さらに、絶縁層３断面では、多数堆積したセラミック粒子からなるセラミック相３１が複数の独立したパターンで存在し、加えて、セラミック相３１間に介在する樹脂相３２が絶縁層３の応力緩和を促すので、温度サイクルなどの熱変形作用を受けても、各セラミック相３１にかかる熱応力は小さく、絶縁層３全体でみても熱応力が局所的に集中することがない。従って、絶縁層３のクラックや剥がれが抑制され、熱変形作用に対する優れた安定性を有する。
　また製造コストの観点では、絶縁性熱伝導構造に要する、はんだ等の接合部材や絶縁層部材の一部を削減できるので、製造工程の簡素化、材料コストの削減が可能となる。
　次に、本発明による第２の実施形態について、図４と図５を参照して詳細に説明する。尚、説明する第２の実施形態の基本的な構成は、第１の実施形態と同様である。従って、図４と図５については、図１(ｂ)を参照した上で、図１（ｂ）と同一の構成要素には同一符号を示し、構成要素の説明を省略する。
　第２の実施形態と第１の実施形態の相違点は、絶縁層３と回路層４の接合部の形状である。図４に示すように、絶縁層中の樹脂相の体積が小さいために絶縁層のセラミック相間に溝が形成されており、上記の溝を有する絶縁層３上に回路層４を形成すると、回路層４が溝部分に埋没した構造となり、優れたアンカー効果により絶縁層と回路層の接合部は高い接合強度を有する。
　次に、上記第２の実施形態の絶縁性熱伝導構造の製造方法について説明する。まず、図５（ａ）に示すような金属基材２表面のセラミック相３１を作成するまでは、第１の実施形態と同じである。そして、セラミック相３１とセラミック相３１間の金属基材２の表面全体に、樹脂を薄く塗布する〔図５（ｂ）〕。このときの樹脂の塗布量は第１の実施例に比べて少ないので、溝は樹脂相３２で埋まらず、後の工程で溝内に回路層４が形成される。
　次に、セラミック相３１上面の樹脂相３２を研磨等により除去することで絶縁層３形成を完了する〔図５（ｃ）〕。
　そして、絶縁層３上に回路層４を形成する〔図５（ｄ）〕。回路層４は、第１の実施例と同様に、金属箔の真空プレスや粒子衝突成膜法で形成することができる。回路層４は、樹脂相３２にアンカー効果により高い接合強度で接合され、また、セラミック相３１が回路層４に埋没することにより、高い接合強度を高い熱伝導性を有する。
　本発明に係る構造物は、絶縁性熱伝導構造を要する製品全般、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ダイオード等のモジュールに利用可能であり、特にパワー半導体モジュールに好適である。
１　絶縁性熱伝導体
２　金属基材
３　絶縁層
３１　セラミック相
３２　樹脂相
４　回路層

Claims (14)

  1. 　金属基材と、
    　前記金属基材上に形成された絶縁層と、
    　前記絶縁層上に形成された金属層とを備えた絶縁性熱伝導構造において、
    　前記絶縁層は、セラミック層と、樹脂相とを備えたことを特徴とする絶縁性熱伝導構造。
  2. 　請求項１において、
    　前記セラミック相は、粒子衝突成膜法により形成されたことを特徴とする絶縁性熱伝導構造。
  3. 　請求項１において、
    　前記セラミック相のセラミックは粒子状であり、当該粒子の一部が前記金属基板及び前記金属層に埋没していることを特徴とする絶縁性熱伝導構造。
  4. 　請求項１において、
    　前記セラミック相は、溝により隔てられた複数のパターンに分かれて形成され、
    　当該溝の中に前記樹脂層が形成されることを特徴とする絶縁性熱伝導構造。
  5. 　請求項１において、
    　前記セラミック相は、前記溝の外側で前記金属層に直接接続されていることを特徴とする絶縁性熱伝導構造。
  6. 　請求項１において、
    　前記金属層は、粒子衝突成膜法または金属プレス法により形成されたことを特徴とする絶縁性熱伝導構造。
  7. 　請求項１において、
    　前記金属層の最下部は、前記セラミックス層の最上部よりも下にあることを特徴とする絶縁性熱伝導構造。
  8. 　金属基材上に、粒子衝突成膜法によりセラミック相を形成する工程と、
    　前記セラミック相の間に樹脂相を形成する工程と、
    　前記セラミックス相及び樹脂相上に金属層を形成する工程と、
    　を含む絶縁性熱伝導構造の製造方法。
  9. 　請求項８において、
    　前記セラミック相のセラミックは、粒子状であり、当該粒子の一部が、前記金属基板及び前記金属層に埋没していることを特徴とする絶縁性熱伝導構造。
  10. 　請求項８において、
    　前記セラミック相は、溝により隔てられた複数のパターンに分かれて形成され、
    　当該溝の中に前記樹脂層が形成されるることを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。
  11. 　請求項１０において、
    　前記セラミック相は、マスクパターンを用いて形成されることにより、当該セラミックス中に前記溝を有することを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。
  12. 　請求項８において、
    　前記樹脂相を形成する工程後、前記金属層を形成する工程前に、
    　前記セラミック相上であり前記溝の外側にある樹脂相を除去する工程を含むことを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。
  13. 　請求項８において、
    　前記金属相は、粒子衝突成膜法または金属プレス法により形成されることを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。
  14. 　請求項８において、
    　前記金属層の最下部は、前記セラミックス層の最上部よりも下にあることを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。
PCT/JP2009/006063 2009-11-13 2009-11-13 絶縁性構造及びその製造方法 WO2011058607A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011540337A JP5486608B2 (ja) 2009-11-13 2009-11-13 絶縁性構造及びその製造方法
PCT/JP2009/006063 WO2011058607A1 (ja) 2009-11-13 2009-11-13 絶縁性構造及びその製造方法
EP09851241.1A EP2500936A4 (en) 2009-11-13 2009-11-13 INSULATION STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2009/006063 WO2011058607A1 (ja) 2009-11-13 2009-11-13 絶縁性構造及びその製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011058607A1 true WO2011058607A1 (ja) 2011-05-19

Family

ID=43991287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/006063 WO2011058607A1 (ja) 2009-11-13 2009-11-13 絶縁性構造及びその製造方法

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2500936A4 (ja)
JP (1) JP5486608B2 (ja)
WO (1) WO2011058607A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014175062A1 (ja) * 2013-04-24 2014-10-30 富士電機株式会社 パワー半導体モジュールおよびその製造方法、電力変換器
CN112425270A (zh) * 2018-07-18 2021-02-26 三菱综合材料株式会社 金属基底基板
CN112425271A (zh) * 2018-07-18 2021-02-26 三菱综合材料株式会社 金属基底基板

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3422401B1 (en) * 2016-02-26 2023-11-15 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Heat dissipating substrate

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0955461A (ja) * 1995-08-11 1997-02-25 Siemens Ag ２つの加工物間の熱伝導性かつ電気絶縁性の結合装置およびその製造方法
JP2006179856A (ja) * 2004-11-25 2006-07-06 Fuji Electric Holdings Co Ltd 絶縁基板および半導体装置
JP2006278558A (ja) 2005-03-28 2006-10-12 Mitsubishi Materials Corp 絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板
JP2008300606A (ja) * 2007-05-31 2008-12-11 Sumitomo Electric Ind Ltd 放熱構造体およびその製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2619443A (en) * 1948-04-08 1952-11-25 Sprague Electric Co Method of making electrical condensers
DE3169519D1 (en) * 1980-06-21 1985-05-02 Lucas Ind Plc Semi-conductor power device assembly and method of manufacture thereof
JP2006248074A (ja) * 2005-03-11 2006-09-21 Tdk Corp 高誘電率複合基板、高誘電率複合シートおよびこれらの製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0955461A (ja) * 1995-08-11 1997-02-25 Siemens Ag ２つの加工物間の熱伝導性かつ電気絶縁性の結合装置およびその製造方法
JP2006179856A (ja) * 2004-11-25 2006-07-06 Fuji Electric Holdings Co Ltd 絶縁基板および半導体装置
JP2006278558A (ja) 2005-03-28 2006-10-12 Mitsubishi Materials Corp 絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板
JP2008300606A (ja) * 2007-05-31 2008-12-11 Sumitomo Electric Ind Ltd 放熱構造体およびその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2500936A4 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014175062A1 (ja) * 2013-04-24 2014-10-30 富士電機株式会社 パワー半導体モジュールおよびその製造方法、電力変換器
CN105229785A (zh) * 2013-04-24 2016-01-06 富士电机株式会社 功率半导体模块及其制造方法、电力变换器
US9373555B2 (en) 2013-04-24 2016-06-21 Fuji Electric Co., Ltd. Power semiconductor module, method for manufacturing the same, and power converter
CN112425270A (zh) * 2018-07-18 2021-02-26 三菱综合材料株式会社 金属基底基板
CN112425271A (zh) * 2018-07-18 2021-02-26 三菱综合材料株式会社 金属基底基板
US20210272865A1 (en) * 2018-07-18 2021-09-02 Mitsubishi Materials Corporation Metal base substrate

Also Published As

Publication number Publication date
EP2500936A1 (en) 2012-09-19
EP2500936A4 (en) 2016-01-13
JPWO2011058607A1 (ja) 2013-03-28
JP5486608B2 (ja) 2014-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8017446B2 (en) Method for manufacturing a rigid power module suited for high-voltage applications
US8222724B2 (en) Semiconductor element module and method for manufacturing the same
WO2014034245A1 (ja) パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP5719740B2 (ja) 配線材料および、それを用いた半導体モジュール
EP2779230A2 (en) Power overlay structure and method of making same
US20080292874A1 (en) Sintered power semiconductor substrate and method of producing the substrate
JP2012119597A (ja) 半導体装置及びその製造方法
JP5251791B2 (ja) 樹脂封止型半導体装置およびその製造方法
JP5486608B2 (ja) 絶縁性構造及びその製造方法
EP2654079A2 (en) Heat dissipation device and method for manufacturing the same
Miric et al. Inorganic substrates for power electronics applications
JP2011091259A (ja) 半導体モジュールおよびその製造方法
JP2011071260A (ja) 積層材およびその製造方法、絶縁積層材およびその製造方法
JP7238985B2 (ja) 半導体装置及び半導体装置の製造方法
CN115700012A (zh) 双面冷却型功率模块用陶瓷电路基板、其制造方法及具有其的双面冷却型功率模块
JP4416362B2 (ja) 半導体素子用放熱性部品及び半導体装置
JP2009127086A (ja) 伝熱部材及びその製造方法
KR102396987B1 (ko) 금속 세라믹 기판 및 금속 세라믹 기판의 제조 방법
JP5772088B2 (ja) 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
JP5654369B2 (ja) 積層材の製造方法
JP2010232545A (ja) 半導体装置
US20130279119A1 (en) Electronic assemblies and methods of fabricating electronic assemblies
KR20150033829A (ko) 콜드 스프레이를 이용한 회로 패턴이 적용된 ｉｇｂｔ 모듈 및 그 제조 방법
EP3416186A1 (en) Semiconductor substrate arrangement with a connection layer with regions of different porosity and method for producing the same
KR101331669B1 (ko) 전력 모듈용 기판

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09851241

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011540337

Country of ref document: JP

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2009851241

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009851241

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE