JP2005032791A - Heat dissipating member, circuit board, and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱部材、回路基板および半導体装置に関する。詳しくは、発熱性の電子部品が搭載される放熱部材、又は上面に回路層が形成されて放熱部材付きの回路基板をなす放熱部材、及びこのような放熱部材を用いた回路基板、さらにはこのような回路基板に半導体素子を搭載した半導体装置に関する。
【0002】
【従来技術】
リードフレームを用いたディスクリート半導体(TO−3P、TO−220等)に代表される、比較的小型の半導体部品においては、放熱性を向上させるために、Cuまたは、Cu合金を主成分とした厚み1mm程度の放熱板がエポキシモールドにより一体化成型されている。この放熱板の一方の面には、半導体チップ部品がはんだ付けにより実装されている。このため、放熱板は電位を持つが、放熱性を向上させるため、非絶縁の状態でヒートシンクに取り付けられるのが一般的である。
【0003】
このような半導体部品において、感電に対する安全性等を考慮し、絶縁を望む用途向けには、例えば、これら表面に露出している通電個所の全体、及びヒートシンクヘの取り付け穴も含め、エポキシやポリイミド系の絶縁材料を皮膜形成する処理がなされる。
【0004】
一方、IGBTやMOSFETに代表される、比較的大型のパワー半導体モジュール(以下、単にモジュールともいう)においては、高電圧に対する絶縁機能と、半導体素子が発生する熱を効率よく放熱する放熱性とが要求される。このため、このようなモジュールをなす回路基板には、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び、窒化珪素に代表されるセラミック基板の両面に金属が接合されたセラミック回路基板が用いられ、安価なCu又はCu−Fe合金製の放熱板上にはんだ付けによって実装する形態が一般的である。しかし、近年、前述のパワー半導体モジュールが、産業用機械から、電鉄やハイブリッドカー、および燃料電池車等に適用が拡大されるにあたって、より高い放熱性とヒートサイクルにおける信頼性の向上が強く求められている。
【0005】
ところが、このようなパワー半導体モジュールにおいては、金属層、セラミック層、はんだ層、及び、放熱板といった、それぞれ、熱膨張率の異なる材質からなる部材で形成されている。このため、半導体等の電子部品の発熱時に、その発熱に起因する熱応力が各部に発生し、接合層、セラミック基板、及び、はんだ層等にクラックが発生する場合があった。これらのクラックは、絶縁不良による地絡事故の発生や、熱抵抗の増大を招き、これらに起因して放熱特性が大幅に悪化し、半導体素子の熱破壊を引き起こす原因となることがあった。
【0006】
このような熱応力に起因する問題点を改善する手段として、軟質金属であるAlを金属板として用い、セラミックと金属板との接合部に生じる応力緩和を促す技術が提案されている(特許文献1)。 また、放熱板に熱膨張率の小さい、Al−SiC、Cu−W、Cu−Moなどの複合材を適用する技術も提案されている(特許文献2)。
【0007】
このような構成のモジュールは、従来のものと比較し、熱応力が緩和されることから、ヒートサイクルにおける信頼性が高い。特に放熱板に適用される、Al−SiC、Cu−W、Cu−Moといった複合材の熱膨張率は、9〜11ppm/K程度であり、Cu、または、Cu−Fe合金の熱膨張率(熱膨張率=16〜17ppm/K)に比較すると小さいため、セラミック回路基板−放熱板間のはんだ層への応力を低減することができる。
【0008】
その他の技術として、クラックが発生しやすい、セラミック回路基板と放熱板間のはんだ層自体が信頼性低下の要因である、との考え方から、セラミック回路基板と放熱板を、ハンダ付けに代えて、ろう付けにより接合する技術も提案されている(特許文献3)。
【0009】
さらには、接合時に凹凸に形成された治具を用いて、本来、反りが発生する方向と反対方向に高い圧力をかけながら、セラミック回路基板と、放熱板を低温接合することで反りの発生を防止する技術も提案されている。
【0010】
【特許文献1】
特許3171234号公報
【特許文献2】
特許3180677号公報
【特許文献3】
特開平9−97865号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術のうち、エポキシやポリイミド系の絶縁材料で皮膜を形成する絶縁では、ヒートシンクと放熱板間に介在することになるその絶縁材料の熱伝導率が、0.5W/mK以下程度と低いため、放熱板の放熱特性が低下し、熱抵抗値が非絶縁タイプに比べると数倍以上に増大する。更には、絶縁層がモジュールの外皮表面で形成されているため、外部応力による、キズやへこみ等による絶縁劣化の可能性もあり、信頼性において十分ではない。
【0012】
また、上述したように、比較的小型の半導体部品においては、絶縁機能及び放熱性に優れるセラミック層を放熱板上に形成することが望ましいが、放熱板の一方の面にセラミックを接合した場合には、両者の熱膨張の差から、放熱板のうち、ヒートシンクと接する面が凹となす大きな反りを生じてしまい、放熱特性が低下するという問題がある。
【0013】
一方、軟質金属であるAlを金属板として適用してセラミックとその金属板の接合部に生じる応力緩和を促す方法や、放熱板に熱膨張率の小さいAl−SiCや、Cu−W、Cu−Moなど複合材を適用する方式では、それらの製造工程が複雑となる。しかも、回路基板との接合においては、特殊な表面処理が必要となる。このため、Cu、又は、Cu−Fe合金からなる放熱板を用いる場合に比べると、数倍程度の高価格となりコスト的に不利である。さらに、熱膨張率の小さい複合材を放熱板として使用しているため、その熱伝導率は150〜250W/mK程度であり、Cu、Cu−Fe合金の熱伝導率(350〜400W/mK)に比べて劣り、熱拡散効果を低減させ、放熱特性を悪化させるという重大な問題がある。
【0014】
すなわち、このような複合材を放熱板として使用することで、セラミック回路基板−放熱板間のはんだ層のヒートサイクルの信頼性は向上できるものの、放熱特性は従来の形態のものよりも悪化するという重大な問題がある。
【0015】
また、Cu、Al、又は、Cu−Fe合金製の放熱板にセラミック回路基板を接合した場合には、両者の熱膨張率の差から、放熱板の裏面が凹となす大きな反りを生ずる。この反りは、モジュール製作時には半導体チップ搭載時のはんだボイドの発生の要因となり、モジュールをヒートシンクに取り付ける際には、ヒートシンクとの接触が不十分となり、熱抵抗が増大し、放熱特性を大幅に悪化させるという問題がある。
【0016】
さらに、圧力をかけながら、セラミック回路基板と、放熱板を低温接合する手法では、次のような問題がある。すなわち、反り量は、接合されるセラミック回路基板の材料や、放熱板の材質、厚み、及び面積によっても変化するため、加圧条件が複雑となり、実用的ではない。また、各種回路基板と放熱板間に、応力緩和を目的とした中間層を設ける構造においても、十分な反り抑制効果は得られないし、その中間層が放熱特性を悪化させるという問題がある。
【0017】
上記したように、セラミック回路基板を用いたパワー半導体モジュールにおいて、熱膨張率の小さい放熱板を適用した場合には、ヒートサイクルの信頼性の向上は図られるものの、放熱特性や製造コストの面で問題がある。また、安価な金属を放熱板に用いて、セラミック回路基板とその放熱板とをはんだ層を介在させず、接合する方式においては、熱膨張差に起因する大きな反りが発生してしまう。
【0018】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたもので、半導体素子を放熱部材、又はその放熱部材を用いた回路基板に搭載してなる半導体装置を、その放熱部材を介して空冷方式又は水冷方式のヒートシンクに取りつけた際において、放熱部材の反りに起因する放熱特性上の問題点の解消することにある。また、その半導体素子が高電圧下で使用される場合の回路層とヒートシンク間との電気的な絶縁性を高めること、さらにはヒートサイクル特性の向上を図ることをその目的としている。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る発明は、金属製の放熱板の上面に接合された上部セラミック板の上面に、回路層を設けて回路基板を形成するのに用いられる放熱部材、又は、該上部セラミック板の上面に、回路層を設けるとともに半導体素子を搭載することで半導体装置を形成するのに用いられる放熱部材であって、
前記放熱板の下面に下部セラミック板を接合するとともに、
前記放熱板の側面のうち、前記上部セラミック板の上面に設けられる回路層の側縁であって該上部セラミック板の側縁に沿って形成される部位に対応して存在する部位を、
前記上、下両セラミック板のうちの少なくとも一方のものの側面よりも内側に存在させたことを特徴とする放熱部材である。
【0020】
このような放熱部材においては、放熱板の両面にセラミック板を接合した構成を有している。したがって、上下のセラミック板を、例えば、同材質で同様の厚みのものとし、これらを同時にロウ付けなどによって放熱板に接合する。こうすることで、接合に起因して各部材に発生する内部応力の上下におけるアンバランスが起きないので、問題となる反りのない放熱部材となすことができる。また、上部セラミック板(以下、上のセラミック板ともいう)の上面に回路層(回路板)を形成(接合)することで、反りのない放熱部材付きの回路基板が得られるが、このような回路基板においては、反りがないことからその回路層に半導体素子をハンダ付けする際においても問題なくその接合ができる。さらに、このような半導体素子が搭載されたモジュールにおいても、反りがないため、その下部セラミック板(以下、下のセラミック板ともいう)の下面を介して、水冷方式又は空冷方式のヒートシンク(冷却部材)の取り付け面に密着状にして取付けることができる。このため、効率良く放熱できることから、発熱する電子部品の放熱特性の向上を図ることができる。
【0021】
なお、放熱部材のヒートシンクに対する取り付けは、放熱部材の両側(両端)又は四つの角寄り部位においてネジ部材をネジ締めすることによるのが普通である。したがって、下のセラミック板の下面に許容される微小な反り(10μm/cm以下の反り量とされる)を付与する場合には、そのネジ締めによる同下面のヒートシンク取付け面への密着が図られるように、同下面には下向きに凸となす反りが付与されるようにするのが好ましい。なお、放熱性向上の手段として、或いは、ヒートシンクとの密着性の向上のため、下部セラミック板のヒートシンクと対面する面(下面)には金属層を形成してもよい。さらに、放熱板は、セラミック板との接合性の向上、及び防錆等のため、メッキ処理や、メタライズ処理を施したものを用いるとよい。なお、放熱板の材質は、Cu、Al、Ni、W、又はMo、或いはこれらのいずれかを主成分とする合金が例示される。また、セラミック板の材質としては、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、又は炭化珪素が例示される。
【0022】
請求項1に係る放熱部材においては、上記した効果に加えて、次のような特有の効果もある。すなわち、上部セラミック板の上面に、回路層(回路板)を形成して回路基板とし、その回路層に半導体素子を搭載してモジュールとし、このモジュールをなす放熱部材の下部セラミック板の下面を介してヒートシンクの取付け面に接合する。このとき、請求項1に係る放熱部材においては、前記放熱板の側面のうち、前記上部セラミック板の上面に設けられる回路層の側縁であって該上部セラミック板の側縁に沿って形成される部位に対応して存在する部位を、前記上、下両セラミック板のうちの少なくとも一方のものの側面よりも内側に存在させている。ここで、「回路層の側縁」とは、回路層のうち上部セラミック板の側縁寄りの端をいい、「上部セラミック板の側縁」とは、上部セラミック板の上面の外周の端をいう。そして、「上部セラミック板の側縁に沿って」とは、上部セラミック板の上面の外周の端と平面視において一致して(側面が面一であること)、という意味、及び略一致して、という意味である。
【0023】
このように、請求項1に係る放熱部材においては、上部セラミック板の上面の全面に回路層が形成されたとしても、その回路層と、ヒートシンクとの間における絶縁が問題となる部位の絶縁沿面距離、すなわち回路層とヒートシンクとの間において、露出するセラミックの表面に沿う絶縁のための距離(最短の距離)が、両セラミック板の側面における厚さ方向に沿う寸法より大きくなる。つまり、絶縁が問題となる部位の絶縁沿面距離は、この両セラミック板の厚さの合計寸法に加えて、放熱板の側面がセラミック板の側面より内側に存在している分、大きく確保されている。
【0024】
したがって、本発明の放熱部材を用い、その上部セラミック板の上面の全面に回路層を設けて回路基板として半導体素子を搭載し、その放熱部材の下面を介して、金属製のヒートシンクの取付け面に取付けたときは、回路層とシートシンクとの絶縁沿面距離は十分確保される。このため、回路層に、例えば2.5kVといった高電圧の電流が流れたとしても、回路層とヒートシンクとの間において放電が発生することを有効に防止できる。因みに、必要な絶縁沿面距離は、例えば、回路層に流れる電圧が2.5kvの場合には、3mm以上といわれているが、このような寸法は容易に確保できる。このように、本発明においては、上記の構成により、絶縁沿面距離を大きく確保できるため、電気的な絶縁効果が極めて高い放熱部材となすことができる。その結果、放熱特性の向上に加えて、半導体装置を正常に安定して作動させることができる。なお、高電圧に絶え得る絶縁沿面距離を確保する手段としては、請求項2〜9に係る発明がある。
【0025】
請求項2に係る発明は、金属製の放熱板の上面に接合された上部セラミック板の上面に、回路層を設けて回路基板を形成するのに用いられる放熱部材、又は、該上部セラミック板の上面に、回路層を設けるとともに半導体素子を搭載することで半導体装置を形成するのに用いられる放熱部材であって、
前記放熱板の下面に下部セラミック板を接合するとともに、
前記放熱板の側面を、その周囲全体にわたって、前記上、下両セラミック板のうちの少なくとも一方のものの側面よりも内側に存在させたことを特徴とする放熱部材である。
【0026】
このように形成したことで、上部セラミック板の上面の全面に回路層が形成される場合でも、問題なく絶縁沿面距離を確保することができる。つまり、請求項1に記載の放熱部材においては、絶縁沿面距離を確保する必要のある部位に対応させて、放熱板の側面を、上、下両セラミック板のうちの少なくとも一方のものの側面よりも内側に存在させたものである。このため、請求項1に係る発明では、形成される回路層のパターンを考慮して、放熱板の側面をセラミック板の側面よりも内側に存在させる必要があるのに対して、請求項2に係る発明ではその必要がない。
【0027】
請求項3に係る発明は、請求項1又は2において、前記両セラミック板のうちの少なくとも一方のものの側面よりも内側に存在させたことに代えて、前記両セラミック板の側面よりも内側に存在させたことを特徴とする放熱部材である。絶縁沿面距離の確保のため、放熱板の側面を、このように上下両セラミック板の側面よりも内側に存在させたため、絶縁沿面距離の確保がより容易となる。また、両セラミック板を同材質、同サイズのものとして容易に共用することができる。なお、このように形成する場合においては、請求項4〜6のいずれかのものとすると一層よい。
【0028】
請求項4に係る発明は、前記セラミック板の側面よりも内側に存在させた前記放熱板の側面を、前記上部セラミック板の上面に垂直な平面で切断した断面において外向きに凸となす円弧状又は多角形状に形成したことを特徴とする請求項3に記載の放熱部材である。
【0029】
このように、外向きに凸となす円弧状又は多角形状に形成したものとすることで、放熱板の側面に電荷の集中が起き易い鋭角部がなくなるため、放電の発生の防止効果が一層高いものとなり、より高い高電圧にも使用できることになる。
【0030】
請求項5に係る発明は、前記セラミック板の側面よりも内側に存在させた前記放熱板の側面と交わる該放熱板の上面及び下面とのなすそれぞれの角に、面取りを形成したことを特徴とする請求項3に記載の放熱部材である。このようにしても、請求項4に記載の放熱部材と同様の効果が得られる。
【0031】
請求項6に係る発明は、前記セラミック板の側面よりも内側に存在させた前記放熱板の側面を、前記上部セラミック板の上面に垂直な平面で切断した断面において凹溝状としかつその凹溝における上下の溝壁のそれぞれを、凹溝開口に向うにしたがって薄くなるように形成したことを特徴とする請求項3に記載の放熱部材である。
【0032】
このようにすることで、放熱板の側面は、セラミック板との接合端に近づくほどその厚みが薄くなるため、セラミック板の側面寄り部位(エッジ寄り部位)における内部応力の発生を緩和或いは低減できる。このため、同部位近傍におけるセラミックの割れ等の破損防止が図られる。
【0033】
請求項7に係る発明は、前記セラミック板の側面よりも内側に存在させた前記放熱板の側面を、絶縁材で被覆したことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の放熱部材である。
【0034】
請求項7に係る発明のように、前記放熱板の側面を、絶縁材(絶縁皮膜)で被覆したものとすることで、より一層、絶縁沿面距離を大きくできる。また、このように放熱板の側面を、絶縁材で被覆したものとする場合には、請求項8又は9に記載の放熱部材のように、前記放熱板の側面を前記セラミック板の側面よりも内側に存在させることなくその被覆をすることとしてもよい。なお、絶縁材としては、ゴム(シリコンゴム等)又は樹脂(ポリイミド樹脂等)を用い、これを塗布等することで被覆すればよい。
【0035】
請求項8に係る発明は、金属製の放熱板の上面に接合された上部セラミック板の上面に、回路層を設けて回路基板を形成するのに用いられる放熱部材、又は、該上部セラミック板の上面に、回路層を設けるとともに半導体素子を搭載することで半導体装置を形成するのに用いられる放熱部材であって、
前記放熱板の下面に下部セラミック板を接合するとともに、
前記放熱板の側面のうち、前記上部セラミック板の上面に設けられる回路層の側縁であって該上部セラミック板の側縁に沿って形成される部位に対応して存在する部位を絶縁材で被覆したことを特徴とする放熱部材である。
【0036】
請求項9に係る発明は、金属製の放熱板の上面に接合された上部セラミック板の上面に、回路層を設けて回路基板を形成するのに用いられる放熱部材、又は、該上部セラミック板の上面に、回路層を設けるとともに半導体素子を搭載することで半導体装置を形成するのに用いられる放熱部材であって、
前記放熱板の下面に下部セラミック板を接合するとともに、
前記放熱板の側面をその周囲全体にわたって絶縁材で被覆したことを特徴とする放熱部材である。
【0037】
また、請求項10に係る本発明は、請求項1〜9のいずれか1項に記載の放熱部材における上部セラミック板の上面に回路層を形成したことを特徴とする回路基板である。
【0038】
さらに、請求項11に係る本発明は、請求項1〜9のいずれか1項に記載の放熱部材の上部セラミック板の上面に、または、請求項10に記載の回路基板の上面に、半導体素子を搭載したことを特徴とする半導体装置である。
【0039】
【発明の実施の形態】
第1の実施の形態
以下、本発明にかかる放熱部材の第1の実施の形態(例)について、図1〜3に基づいて詳細に説明する。この放熱部材1は、全体としてみると、一定厚さの矩形平板形状を呈しており、金属製(例えば、Cu(銅)製)で、一定厚さの矩形をなす放熱板2の上、下の両面に、一定厚さのセラミック板(例えば、窒化珪素板)3、4が例えば活性ロウ(図示せず)によるロウ付けで接合されて一体化されている。ここに、放熱板2はその厚さが例えば3mmとされ、両セラミック板3、4は厚さが、ともに0.25mmとされている。なお、活性ロウとしては、例えばCu−Sn系活性金属ロウが使用される。
【0040】
ただし、本形態では、放熱板2の側面2aと下のセラミック板4の側面4aとは、面一とされているが、上のセラミック板3の側面(エッジ)3aは、放熱板2の側面2aより、側面の周囲全体にわたって外側に一定寸法(S)突出している。すなわち、本形態では、放熱板2の側面2aを、その周囲全体にわたって上のセラミック板3の側面3aよりも一定寸法Sだけ内側に引き下がって存在させている。この引き下がり寸法Sは、例えば、2.5mmとされている。また、放熱板2は、平面が例えば、縦横、32mm、90mmとされている。なお、平面視において、両端寄り部位に、取付け用の貫通孔5が形成されている。
【0041】
このような本形態の放熱部材1は、セラミック板3、4のうち、放熱板2に接する面3b、4cにCu−Sn系活性金属ペースト(活性ロウ)を印刷しておいて、各部材を重ね、所定の錘を載せて例えば真空雰囲気下にて所定の温度に加熱して活性ロウを溶融し、その後、冷却することで形成される。このとき、放熱板2とセラミック板3、4とにおけるヤング率及び熱膨張係数の相違に基づき、接合、冷却後においては、各部材に内部応力が発生するが、このような積層構造を有するため、上下においてその応力にアンバランスを発生させない。したがって、問題となる反りのない放熱部材1となすことができる。
【0042】
そして、このような放熱部材1は、その上部セラミック板3の上面3cに、図3に示したように回路層6を設けることで回路基板10となる。なお、回路層6を形成する場合には、例えば、上部セラミック板3の上面3cにも活性ロウをスクリーン印刷しておき、その上に回路層形成用のCu板を重ねて、上下のセラミック板3、4と同時に接合し、その後、所望とする回路パターンにエッチング処理することで形成される。また、このような放熱部材1は、図4に示したように、同上部セラミック板3の上面3cに、回路層6を設けるとともに半導体素子7をハンダ層8を介して搭載することで半導体装置11が形成される。そして、この形成においては次のようである。すなわち、このような放熱部材1の上部セラミック板3の上面3cに回路層6を形成する。そして、その回路層6に半導体素子7をハンダ付けする際においては、放熱部材1に問題となる反りがないことから、半導体素子7を問題なく、ハンダ付けできる。
【0043】
そして、このように形成されたモジュールは、図5に示したように、下のセラミック板4の下面4bをヒートシンク(冷却部材)12に、熱伝導性のグリース13を介在させ、ネジ部材14を貫通孔5に通してねじ込むことで取付けられるのであるが、この取付けにおいても、問題となる反りがなく、モジュールとヒートシンク12との密着性が保たれる。したがって、その使用に際して半導体から発熱する熱は、回路層6及び放熱部材1を介してヒートシンク12に効率良く伝達されるため、高い冷却効果が得られる。
【0044】
さらに、このような基本的効果に加えて次のような特有の効果も得られる。すなわち、このようにモジュールとされてヒートシンク12に取付けられた際において、回路層6に高電圧の電流が流れる場合においては、その回路層6とヒートシンク12との電気的な絶縁の確保が重要となる。一方、本形態の放熱部材1においては、放熱板2の上下にセラミック板(絶縁板)3、4があるというだけでなく、放熱板2の側面2aが上のセラミック板3の側面3aよりも内側に存在している。このため、上下のセラミック板3、4の側面3a、4aにおける上下の各寸法(各セラミック板3、4の厚さ)3E、4Eに加えて、上のセラミック板3が放熱板2から相対的に寸法Sだけ突出しているため、その突出寸法S分、絶縁沿面距離を大きく確保している。したがって、絶縁沿面距離は、例えば、各セラミック板3、4の厚さ3E、4Eを加算した寸法に加えて、上のセラミック板3の下面3bが、放熱板2の側面2aから突出している寸法S分だけ広く確保されている。このため、回路層6に、例えば2.5kVといった高電圧の電流が流れたとしても、回路層6とヒートシンク12間における放電の発生を有効に防止できるという効果がある。すなわち、本形態においては、回路層6が上部セラミック板3の上面3cの全面に形成されても、その回路層6とヒートシンク12との絶縁沿面距離は、各セラミック板3、4の厚さ3E、4Eの合計寸法に加えて寸法Sが加算されているため、放電の発生もなく、上面の回路層6に接合した半導体素子7等の電子部品を正常に安定して作動させることができるという効果がある。
【0045】
なお、上記の放熱部材1の製造におけるロウ付けにあたっては、カーボン製ジグなど、耐熱性のあるジグを用いて、各部材を同図の配置となるように位置決めしつつ重ねてロウ付けすればよい。また、放熱板2に、上のセラミック板3と同じ平面形状、寸法のものを用いてロウ付けした後、エッチング処理することで、放熱板2の側面2aを上部セラミック板3の側面3aより内側に存在させるようにしてもよい。なお、前記形態では、セラミック板を窒化珪素製としたが、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどを用いてもよい。また、放熱板2の材料としては、Al(アルミニウム)或いはAl合金など、熱伝導性の高い金属から適宜のものを選択して用いればよい。なお、このように放熱板2をAl製又はAl合金製とする場合には、セラミック板における接合面に、例えば、Ti、Mo、Niの順に各金属層(例えば各100nm厚さ)を蒸着によって形成しておき、Al−Si系ロウ材でロウ付けすればよい。
【0046】
前記した実施の形態においては、放熱板2の側面2aの周囲全体を、上のセラミック板3の側面3aよりも内側に存在させたため、回路層6を全面に形成しても、或いはその回路層6のパターン或いは形成エリアに関係なく、絶縁沿面距離を確保できる。ただし、このようにその側面2aの全体を内側に存在させることは必ずしも必要とされない。すなわち、本発明においては、放熱板2の側面2aの周囲のうち、絶縁沿面距離が問題とならない部位、例えば、図2中、1点鎖線で示した部位のうち、形成される回路層6の側縁が上部セラミック板3の側縁(側面)3aより十分に内側に位置している部位(図2中のAの部位)については、絶縁沿面距離は既に十分に確保されている。このため、このような部位を除いた部位、つまり、放熱板2の側面2aのうち、上部セラミック板3の上面3cに設けられる回路層6の側縁であって上部セラミック板3の側縁に沿って形成される部位(図2中のBの部位)に対応して存在する部位を、上、下両セラミック板3、4のうちの少なくとも一方のものの側面よりも内側に存在させれば十分である。以下、本発明の放熱部材1において、絶縁沿面距離を確保する構成の別の実施の形態について説明する。
【0047】
第2の実施の形態
図6は、本発明にかかる放熱部材の第2の実施の形態を示したものである。ただし、この放熱部材21は、上記した第1の実施の形態において、上のセラミック板3に代えて、下のセラミック板4の側面4aを放熱板2の側面2aから所定量S突出させた点のみが相違するだけであり、本質的相違はないことから、同一の部位には、同一の符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。以下においても同様とする。すなわち、このようにしても、同様に絶縁沿面距離を長くできる。
【0048】
また、図7は、本発明にかかる放熱部材の第3の実施の形態を示したものである。この放熱部材31は、放熱板2の側面2aを、上、下の両セラミック板3、4の側面3a、4aよりも内側に存在させたものである。このものにおいては、上記の各形態におけるものと同様の突出量Sとした場合には、絶縁沿面距離をさらに大きく確保できるため、より高電圧の電流に対しても、十分な放電防止効果が期待される。一方、このものにおいては、上記した形態と同様の絶縁沿面距離を確保する場合には、図示から明らかなように、両セラミック板3、4の突出量を半分にできる。すなわち、セラミック板の突出を小さくできる分、放熱部材2のサイズを小さくするとともに、その突出部分の割れ等の破損の防止が図られる。
【0049】
図8は、本発明にかかる放熱部材の第4の実施の形態を示したものである。この放熱部材41は、第3の実施の形態において、放熱板2の側面2aを、上部セラミック板3の上面3cに垂直な平面で切断した断面において外向きに凸となす(膨出状)円弧状に形成したものである。このものにおいても、前記形態と同様の効果があるが、さらに、このものでは、放熱板2の側面2aに鋭角をなす角がないため、電荷の集中を防止できる。このため、一層、優れた放電防止効果が得られる。なお、図示はしないが、このような外向きに凸となす円弧状のものに代えて、外向きに凸となす多角形状に形成しても同様の効果がある。また、外向きに凸となす円弧状とする場合には、その半径を放熱板2の厚みの半分とするか、又はその半分より大きい半径として、円弧状をなすように設定するとよい。また、多角形状にする場合にはなるべく多くの角のあるものにするのが好ましい。このような放熱部材41を上記したように回路基板として、或いは半導体素子7を搭載してヒートシンク12に取付けて使用されるときには、電荷の集中を防止できるため、放電の発生の防止効果が一層高いものとなる。
【0050】
図9は、本発明にかかる放熱部材の第5の実施の形態を示したものであり、前記形態の変形例とでも言うべきものである。すなわち、この放熱部材51では、放熱板2の側面2aと交わる該放熱板2の上面2c及び下面2bとのなすそれぞれの角に、面取りを形成したものである。このものにおいても、放熱板2の側面2aに鋭角をなす角ができないため、電荷の集中が防止できるなど、前記の第4の実施の形態のものと同様の効果がある。さらに、このものでは、面取りとしたことで、その形成、製造が容易となるといった、製造上の効果もある。なお、図示はしないが、このような面取りは、傾斜面取りに代えて、アール面取り(円弧状面取り)としても同様の効果が得られる。
【0051】
図10は、本発明にかかる放熱部材の第6の実施の形態を示したものである。この放熱部材61は、放熱板2の側面2aを、上部セラミック板3の上面3cに垂直な平面で切断した断面において、凹溝状としかつその凹溝における上下の溝壁2kのそれぞれを、凹溝開口に向うにしたがって薄くなるように形成したものである。同図のものでは、放熱板2の側面2aが同断面において、外向きに凹となす円弧状に形成されており、上下のセラミック板3、4の側面3a、4a寄り部位に近接するほど、接合された放熱板2の厚みが薄くなるように形成されている。このため、放熱板2との接合後におけるセラミック板3、4の側面3a、4a寄り部位における内部応力を緩和ないし低減できることから、セラミック板における同部位近傍の剥離或いは破損防止効果があり、接合の信頼性が高められる。
【0052】
なお、図11は、本発明にかかる放熱部材の第7の実施の形態を示したものであり、前記形態の変形例とでもいうべきものである。この放熱部材71は、同断面において、放熱板2の側面2aを、外向きに凹となす多角形に形成したものであるが、このようにしても同様の効果が得られる。なお、本例のものも含め、放熱板2の側面2aを外向きに凸形状又は凹形状とする場合には、接合前に又は後で所定の形状に研削等により形成すればよい。ただし、凹とする場合には、放熱部材1においてその側面をブラスト処理することでも形成できる。
【0053】
図12は、本発明にかかる放熱部材の第8の実施の形態を示したものである。この放熱部材81は、図7に示した実施の形態のものにおいて、放熱板2の側面2aを絶縁材82で被覆したものである。このように、放熱板2の側面2aを、絶縁材(絶縁皮膜)82で被覆したものとすることで、さらに絶縁沿面距離を大きくできる。このため、回路層とヒートシンク間の絶縁が確実に保持される。また、このように放熱板2の側面2aを、絶縁材82で被覆したものとする場合には、放熱板2の側面2aをセラミック板の側面よりも内側に存在させなくともよい。
【0054】
図13は、その1例を示したものである。このものは、上下の両セラミック板3、4と放熱板2に、同一平面形状、同一平面寸法のものを用い、これらの側面3a、4a、2aを揃えて接合し、その後で、放熱板2の側面2aを覆う形で絶縁材82で被覆したものである。すなわち、このものは、放熱板2の側面2aを、上下のセラミック板3、4の側面3a、4aと面一としておき、放熱板2自体の側面2aが露出しないように、絶縁材82で被覆したものである。このものにおいても、絶縁沿面距離を長くできる。なお、このような形態においても、放熱板2の側面2aの周囲全体を絶縁材で被覆、形成する必要は必ずしもなく、絶縁沿面距離が問題となる部位のみ、その側面を絶縁材で被覆すればよい。ただし、放熱板2の側面2aの周囲全体を絶縁材で被覆しておくのが、より好ましい。なお、絶縁材82としては、特に限定されるものではないが、シリコンゴム又はポリイミド樹脂等、耐熱性の高いゴム、樹脂などを用い、これを塗布等することで被覆すればよい。
【0055】
さて次に、上記した各形態1〜7の放熱部材(実施例1〜7)を作り、上のセラミック板3の上面3cに回路層6を形成し、その回路層6に半導体素子7をハンダ付けにより搭載してモジュールとし、回路層全面と下のセラミック板4の下面4bの全面に電極を接触させて、高電圧の電流を流して両セラミック板間の絶縁抵抗試験を実施し、絶縁沿面距離の増大による効果(絶縁性能)の確認をした。
【0056】
ただし、この試験には絶縁耐電圧試験器を用い、試験電圧は、1KV〜4.5KVとし、印加時間は1分間とした。結果は、表1に示したとおりである。なお、放熱板2は、Cu製で、厚さは3mm、上下のセラミック板3、4は窒化珪素製で、厚さ0.25mm、回路層6はCu製で、厚さは、0.4mmとし、上のセラミック板3の上面の全面に形成した。なお、比較例1は、図14に示したように、放熱板2の側面2aと上下のセラミック板3、4の側面3a、4aを一致させた(揃えた)点のみが、実施例1〜7のものと異なるだけである。また、比較例2は図15に示したように、放熱板2の側面2aを上下のセラミック板3、4の側面3a、4aより、外側に1.0mm突出させた点のみが、実施例1〜7のものと異なるだけである。
【0057】
また、実施例1〜3のもの(図1、図6、図7)は、上、又は下のセラミック板3、4の側面3a、4aから放熱板2の側面2aまでの引き下がり量Sは1mmである。
実施例4〜7における引き下がりは次のようである。
実施例4(図8参照)は、放熱板2の側面2aを外向き凸となす円弧状断面としたもので、上のセラミック板3の下面3b及び下のセラミック板4の上面4cに接する位置における放熱板2の引き下がり量S4が2mmとなるように、半径1.5mmで外向き凸となす円弧状断面としたものである。放熱板2の厚さは3mmである。これにより、放熱板2の側面2aの中間高さ部位の外端は上下のセラミック板3、4の側面3a、4aから0.5mm引き下がっている。
実施例5(図9参照)は、放熱板2の側面2aと交わる該放熱板2の上面2c及び下面2bとのなすそれぞれの角に面取りを形成したもので、上のセラミック板3の下面3b及び下のセラミック板4の上面4cに接する位置における放熱板2の引き下がり量S5が2mmとなるように、水平に対する角度θが30度で、水平幅1.73mm、高さ1.0mmをなす面取りを付与したものである。これにより、放熱板2の側面2aは上下のセラミック板3、4の側面3a、4aから約0.27mm引き下がっている。
実施例6(図10参照)は、放熱板2の側面2aを外向きに凹となす円弧状に形成したもので、上のセラミック板3の下面3b及び下のセラミック板4の上面4cに接する位置における放熱板2の引き下がり量S6が1mmとなるようにし、そこから、半径1.5mmで外向き凹となす円弧状断面としたものである。これにより、セラミック板3、4の側面3a、4aから最大深さが2.5mmの凹溝となっている。
実施例7(図11参照)は、放熱板2の側面2aを外向きに凹となす台形状に形成したもので、上のセラミック板3の下面3b及び下のセラミック板4の上面4cに接する位置における放熱板2の引き下がり量S7が1mmとなるように、そこから、溝深さ2mmで、溝底の幅2mm、開口幅3mmの底が狭い台形溝としたものである。
なお、いずれも、放熱板2の周囲の側面全体について内側に存在させた。
【0058】
【表1】
【0059】
表1に示したように、1KV、1.5KVでは、試験を実施したいずれの実施例1〜3、及び比較例1、2においても、絶縁の問題は発生せず、OK(合格)であった。また、2.5KVでは、本発明の実施例1〜7においては、いずれも絶縁の問題は発生しなかったのに対し、比較例1、2では放電による絶縁不良が発生し、NG(不合格)であった。そして、3.5KVでは、本発明の実施例3〜7においては、絶縁の問題は発生しなかったのに対し、実施例、1、2、及び比較例1、2において、放電による絶縁不良が発生した。さらに4KVでは、本発明の実施例4、5においては絶縁の問題は発生しなかったのに対し、実施例、1〜3、6、7において、放電による絶縁不良が発生した。なお、表中の「実施せず」は、試験をしなかったことを表している。
【0060】
この試験結果から、本発明の放熱部材によれば、絶縁特性が確実に高められるとともに、2.5KVであればいずれのものでも問題ないことが分かる。一方、3.5KVといった高電圧に対しては、放熱板2の側面2aを、上下両セラミック板3、4の側面3a、4aより内側に存在させるのが好ましいことがわかる。さらに、放熱板2の側面2aを外向きに凸となす円弧または多角形状とした場合には、4KVといった高電圧でも問題がなく、最も好結果が得られることが判明した。これらのことは、とりもなおさず本発明の放熱部材の効果を実証するものである。
【0061】
さらに、実施例6、7のものについて、熱サイクル試験をして、セラミック板の剥離の有無について確認した。ただし、熱サイクル試験は、−40度〜RT(室温)〜350度を1サイクルとし、各温度において30分間保持した。結果は、表2に示したとおりである。なお、放熱板、セラミック板間の界面の剥離は、10サイクル実施ごとに、その発生の有無を超音波探傷装置で評価した。
【0062】
【表2】
【0063】
表2に示したように、実施例6、7のものについては、70サイクルまで、「剥離なし」、であったが、比較例1、2では、30サイクルで、剥離の発生がみられた。これより、実施例6、7のもののように、放熱板2の側面2aを形成することで、ヒートサイクルに対し、高い信頼性が得られることも実証された。すなわち、このようにすることで、確実にセラミック板に発生する応力の緩和或いは低減が図られる。
【0064】
本発明は上記した各実施の形態のものに限定されるものではなく、適宜に設計変更して具体化できる。また、放熱板の材質、寸法(厚み等)、セラミック板の材質、寸法(厚み等)、あるいはこれらの接合法についても、適宜に変更して具体化すればよい。
【0065】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の放熱部材によれば、反りの発生を有効に防止できる。このため、本発明の放熱部材を使用して回路基板を形成し、さらに半導体素子を搭載して半導体装置とし、これをその放熱部材を介して空冷方式又は水冷方式のヒートシンクに取りつけた際においては、反りに起因する放熱特性上の問題を解消できる。また、その回路層とヒートシンク間との電気的な絶縁性を高めることができるため、高電圧下で使用される半導体素子を正常に安定して作動させることができる。さらに、ヒートサイクル特性の向上を図ることもできるため、信頼性の高い半導体装置となすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる放熱部材の第1の実施の形態の側面図、及び要部拡大断面図。
【図2】図1の放熱部材の平面図。
【図3】図1の放熱部材の上面に回路層を形成してなる回路基板の側面図。
【図4】図1の放熱部材の上面に回路層を形成して回路基板とするともに、その上面に半導体素子をハンダ付けしてなる半導体装置の側面図。
【図5】半導体装置をヒートシンクに取付けた状態の断面図。
【図6】本発明にかかる放熱部材の第2の実施の形態の断面要部拡大図。
【図7】本発明にかかる放熱部材の第3の実施の形態の断面要部拡大図。
【図8】本発明にかかる放熱部材の第4の実施の形態の断面要部拡大図。
【図9】本発明にかかる放熱部材の第5の実施の形態の断面要部拡大図。
【図10】本発明にかかる放熱部材の第6の実施の形態の断面要部拡大図。
【図11】本発明にかかる放熱部材の第7の実施の形態の断面要部拡大図。
【図12】本発明にかかる放熱部材の第8の実施の形態の断面要部拡大図。
【図13】本発明にかかる放熱部材の第9の実施の形態の断面要部拡大図。
【図14】放熱部材の比較例1を示す断面要部拡大図。
【図15】放熱部材の比較例2を示す断面要部拡大図。
【符号の説明】
1、21、31、41、51、61、71、81、91 放熱部材
2 放熱板
2a 放熱板の側面
2c 放熱板の上面
2b 放熱板の下面
3 上部セラミック板
3a 上部セラミック板の側面
3c 上部セラミック板の上面
3b 上部セラミック板の下面
4 下部セラミック板
4a 下部セラミック板の側面
4c 下部セラミック板の上面
4b 下部セラミック板の下面
6 回路層
10 回路基板
11 半導体装置
12 ヒートシンク
82 絶縁材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat dissipation member, a circuit board, and a semiconductor device. Specifically, a heat radiating member on which heat-generating electronic components are mounted, a heat radiating member having a circuit layer formed on the upper surface to form a circuit board with a heat radiating member, a circuit board using such a heat radiating member, and this The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on such a circuit board.
[0002]
[Prior art]
In a relatively small semiconductor component typified by a discrete semiconductor (TO-3P, TO-220, etc.) using a lead frame, in order to improve heat dissipation, the thickness is mainly composed of Cu or a Cu alloy. A heat sink of about 1 mm is integrally molded by an epoxy mold. A semiconductor chip component is mounted on one surface of the heat sink by soldering. For this reason, although a heat sink has an electric potential, in order to improve heat dissipation, it is common to attach to a heat sink in a non-insulated state.
[0003]
In such semiconductor parts, considering the safety against electric shock, etc., for applications where insulation is desired, for example, the entire energized location exposed on these surfaces and the mounting holes for heat sinks, epoxy and polyimide A process of forming a film of the insulating material of the system is performed.
[0004]
On the other hand, relatively large power semiconductor modules (hereinafter also simply referred to as modules) represented by IGBTs and MOSFETs have an insulating function against high voltages and heat dissipation that efficiently dissipates heat generated by semiconductor elements. Required. For this reason, a ceramic circuit board in which metal is bonded to both surfaces of a ceramic substrate typified by aluminum oxide, aluminum nitride, and silicon nitride is used as a circuit board forming such a module. A form of mounting on a heat sink made of -Fe alloy by soldering is common. However, in recent years, when the application of the power semiconductor module described above is expanded from industrial machinery to electric railways, hybrid cars, and fuel cell vehicles, there is a strong demand for higher heat dissipation and improved reliability in heat cycles. ing.
[0005]
However, such a power semiconductor module is formed of members made of materials having different coefficients of thermal expansion, such as a metal layer, a ceramic layer, a solder layer, and a heat sink. For this reason, when an electronic component such as a semiconductor generates heat, thermal stress due to the generated heat is generated in each part, and cracks may occur in the bonding layer, the ceramic substrate, the solder layer, and the like. These cracks may cause ground faults due to poor insulation and increase in thermal resistance, resulting in a significant deterioration in heat dissipation characteristics and causing thermal destruction of the semiconductor element.
[0006]
As a means for improving such problems caused by thermal stress, a technique has been proposed in which Al, which is a soft metal, is used as a metal plate to promote stress relaxation that occurs at the joint between the ceramic and the metal plate (Patent Literature). 1). Moreover, the technique which applies composite materials, such as Al-SiC, Cu-W, Cu-Mo, with a small thermal expansion coefficient to a heat sink is also proposed (patent document 2).
[0007]
The module having such a configuration is more reliable in heat cycle because the thermal stress is relieved as compared with the conventional module. In particular, the thermal expansion coefficient of a composite material such as Al—SiC, Cu—W, and Cu—Mo applied to a heat sink is about 9 to 11 ppm / K, and the thermal expansion coefficient of Cu or Cu—Fe alloy ( Therefore, the stress on the solder layer between the ceramic circuit board and the heat sink can be reduced.
[0008]
As another technology, from the idea that the solder layer itself between the ceramic circuit board and the heat sink is prone to decrease in reliability, and the ceramic circuit board and the heat sink are replaced by soldering. A technique for joining by brazing has also been proposed (Patent Document 3).
[0009]
In addition, using a jig formed in irregularities at the time of bonding, while applying high pressure in the direction opposite to the direction in which warpage originally occurs, warping is generated by low-temperature bonding the ceramic circuit board and the heat sink. Techniques for preventing it have also been proposed.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3171234
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3180677
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-97865
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Among the above-described conventional techniques, in the insulation in which a film is formed with an epoxy or polyimide insulating material, the thermal conductivity of the insulating material that is interposed between the heat sink and the heat sink is about 0.5 W / mK or less. Since it is low, the heat dissipation characteristic of the heat sink is lowered, and the thermal resistance value is increased several times more than that of the non-insulated type. Furthermore, since the insulating layer is formed on the outer surface of the module, there is a possibility of deterioration of insulation due to scratches or dents due to external stress, which is not sufficient in reliability.
[0012]
In addition, as described above, in a relatively small semiconductor component, it is desirable to form a ceramic layer having excellent insulating function and heat dissipation on the heat sink, but when ceramic is bonded to one surface of the heat sink. However, due to the difference in thermal expansion between the two, there is a problem that a large warp in which the surface of the heat radiating plate that comes into contact with the heat sink becomes concave, resulting in a deterioration in heat radiation characteristics.
[0013]
On the other hand, Al, which is a soft metal, is applied as a metal plate to promote relaxation of stress generated at the joint between the ceramic and the metal plate, Al-SiC having a low coefficient of thermal expansion, Cu-W, Cu- In the method of applying a composite material such as Mo, the manufacturing process thereof is complicated. In addition, a special surface treatment is required for bonding to the circuit board. For this reason, compared with the case where the heat sink which consists of Cu or a Cu-Fe alloy is used, it becomes about several times as expensive and is disadvantageous in cost. Furthermore, since a composite material having a low coefficient of thermal expansion is used as a heat sink, its thermal conductivity is about 150 to 250 W / mK, and the thermal conductivity of Cu and Cu—Fe alloys (350 to 400 W / mK). There is a serious problem that the thermal diffusion effect is reduced and the heat dissipation characteristics are deteriorated.
[0014]
That is, by using such a composite material as a heat sink, the reliability of the heat cycle of the solder layer between the ceramic circuit board and the heat sink can be improved, but the heat dissipation characteristics are worse than those of the conventional form. There is a serious problem.
[0015]
In addition, when a ceramic circuit board is joined to a heat sink made of Cu, Al, or Cu—Fe alloy, a large warp is generated in which the back surface of the heat sink becomes concave due to the difference in thermal expansion coefficient between the two. This warpage causes solder voids when mounting the semiconductor chip when the module is manufactured. When the module is attached to the heat sink, the contact with the heat sink becomes insufficient, the thermal resistance increases, and the heat dissipation characteristics are greatly deteriorated. There is a problem of making it.
[0016]
Furthermore, the technique of low-temperature bonding the ceramic circuit board and the heat sink while applying pressure has the following problems. That is, the amount of warpage varies depending on the material of the ceramic circuit board to be joined and the material, thickness, and area of the heat sink, so that the pressurizing condition becomes complicated and is not practical. Further, even in a structure in which an intermediate layer for stress relaxation is provided between various circuit boards and a heat sink, there is a problem that a sufficient warp suppressing effect cannot be obtained and the intermediate layer deteriorates heat dissipation characteristics.
[0017]
As described above, in a power semiconductor module using a ceramic circuit board, when a heat sink with a low coefficient of thermal expansion is applied, the reliability of the heat cycle can be improved, but in terms of heat dissipation characteristics and manufacturing cost. There's a problem. Further, in a method in which an inexpensive metal is used for the heat sink and the ceramic circuit board and the heat sink are joined without using a solder layer, a large warp due to a difference in thermal expansion occurs.
[0018]
The present invention has been made in view of such problems, and a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on a heat dissipation member or a circuit board using the heat dissipation member is air-cooled or water-cooled via the heat dissipation member. It is intended to eliminate the problem in heat dissipation characteristics caused by warpage of the heat dissipation member when mounted on the heat sink. Another object of the present invention is to improve the electrical insulation between the circuit layer and the heat sink when the semiconductor element is used under a high voltage, and to improve the heat cycle characteristics.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
While joining a lower ceramic plate to the lower surface of the heat sink,
Of the side surface of the heat radiating plate, a side edge of a circuit layer provided on the upper surface of the upper ceramic plate and a portion existing corresponding to a portion formed along the side edge of the upper ceramic plate,
The heat dissipating member is characterized in that it is present inside a side surface of at least one of the upper and lower ceramic plates.
[0020]
Such a heat radiating member has a structure in which ceramic plates are joined to both surfaces of the heat radiating plate. Therefore, for example, the upper and lower ceramic plates are made of the same material and have the same thickness, and these are simultaneously joined to the heat sink by brazing or the like. By doing so, since there is no unbalance between the top and bottom of the internal stress generated in each member due to the joining, it is possible to provide a heat radiating member that does not cause a problem. Further, by forming (joining) a circuit layer (circuit board) on the upper surface of the upper ceramic plate (hereinafter also referred to as the upper ceramic plate), a circuit board with a heat dissipation member without warping can be obtained. Since there is no warping in the circuit board, the bonding can be performed without any problem even when the semiconductor element is soldered to the circuit layer. Further, even in a module in which such a semiconductor element is mounted, since there is no warping, a water-cooling or air-cooling heat sink (cooling member) is provided via the lower surface of the lower ceramic plate (hereinafter also referred to as the lower ceramic plate). ) Can be attached in close contact with the mounting surface. For this reason, since it can thermally radiate efficiently, it is possible to improve the heat dissipation characteristics of the electronic parts that generate heat.
[0021]
Note that the attachment of the heat radiating member to the heat sink is usually performed by screwing the screw member on both sides (both ends) of the heat radiating member or at four corners. Therefore, in the case where an allowable minute warp (with a warp amount of 10 μm / cm or less) is applied to the lower surface of the lower ceramic plate, the lower surface is closely attached to the heat sink mounting surface by screw tightening. As described above, it is preferable that the lower surface is provided with a warp that protrudes downward. A metal layer may be formed on the surface (lower surface) facing the heat sink of the lower ceramic plate as a means for improving heat dissipation or for improving adhesion to the heat sink. Furthermore, the heat sink may be plated or metallized to improve the bondability with the ceramic plate and prevent rust. In addition, the material of the heat sink is exemplified by Cu, Al, Ni, W, Mo, or an alloy mainly containing any of these. Examples of the material for the ceramic plate include silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, and silicon carbide.
[0022]
The heat dissipating member according to
[0023]
As described above, in the heat radiating member according to
[0024]
Therefore, using the heat dissipating member of the present invention, a circuit layer is provided on the entire upper surface of the upper ceramic plate, a semiconductor element is mounted as a circuit board, and the mounting surface of the metal heat sink is provided via the lower surface of the heat dissipating member. When attached, the insulation creepage distance between the circuit layer and the sheet sink is sufficiently secured. For this reason, even if a high-voltage current of 2.5 kV, for example, flows through the circuit layer, it is possible to effectively prevent discharge from occurring between the circuit layer and the heat sink. Incidentally, the necessary insulation creepage distance is said to be 3 mm or more when the voltage flowing through the circuit layer is 2.5 kv, for example, but such a dimension can be easily secured. As described above, according to the present invention, since the insulation creepage distance can be largely secured by the above-described configuration, a heat radiating member having an extremely high electrical insulation effect can be obtained. As a result, in addition to improving the heat dissipation characteristics, the semiconductor device can be operated normally and stably. In addition, there exists the invention which concerns on Claims 2-9 as a means to ensure the insulation creepage distance which can endure to a high voltage.
[0025]
The invention according to
While joining a lower ceramic plate to the lower surface of the heat sink,
The heat radiating member is characterized in that the side surface of the heat radiating plate is present inside the side surface of at least one of the upper and lower ceramic plates over the entire periphery thereof.
[0026]
By forming in this way, even when the circuit layer is formed on the entire upper surface of the upper ceramic plate, the insulation creepage distance can be secured without any problem. That is, in the heat radiating member according to
[0027]
The invention according to
[0028]
The invention according to
[0029]
In this way, by forming an arc shape or a polygonal shape that protrudes outward, there is no sharp angle portion on the side surface of the heat radiating plate where concentration of electric charges tends to occur. It can be used for higher voltages.
[0030]
The invention according to
[0031]
According to a sixth aspect of the present invention, the side surface of the heat radiating plate that is present inside the side surface of the ceramic plate is formed into a concave groove shape in a cross section cut by a plane perpendicular to the upper surface of the upper ceramic plate, and the
[0032]
By doing in this way, since the thickness of the side surface of the heat sink becomes thinner as it approaches the joint end with the ceramic plate, the generation of internal stress at the side portion (edge portion) of the ceramic plate can be reduced or reduced. . For this reason, it is possible to prevent damage such as cracking of the ceramic in the vicinity of the same part.
[0033]
The invention according to
[0034]
As in the invention according to
[0035]
The invention according to claim 8 is a heat dissipation member used for forming a circuit board by providing a circuit layer on the upper surface of an upper ceramic plate joined to the upper surface of a metal heat dissipation plate, or the upper ceramic plate A heat dissipating member used for forming a semiconductor device by providing a circuit layer on the upper surface and mounting a semiconductor element,
While joining a lower ceramic plate to the lower surface of the heat sink,
Of the side surface of the heat radiating plate, an insulating material is a side edge of a circuit layer provided on the upper surface of the upper ceramic plate and corresponding to a portion formed along the side edge of the upper ceramic plate. It is the heat radiating member characterized by having coat | covered.
[0036]
The invention according to
While joining a lower ceramic plate to the lower surface of the heat sink,
The heat radiating member is characterized in that the side surface of the heat radiating plate is covered with an insulating material over the entire periphery thereof.
[0037]
The present invention according to
[0038]
Furthermore, the present invention according to
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First embodiment
Hereinafter, a first embodiment (example) of a heat dissipation member according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. The
[0040]
However, in this embodiment, the
[0041]
The
[0042]
And such a
[0043]
In the module formed in this way, as shown in FIG. 5, the
[0044]
Further, in addition to such basic effects, the following specific effects can also be obtained. That is, when a high voltage current flows through the
[0045]
In addition, when brazing in manufacturing the
[0046]
In the above-described embodiment, the entire periphery of the
[0047]
Second embodiment
FIG. 6 shows a second embodiment of the heat dissipating member according to the present invention. However, the heat radiating member 21 is different from the upper
[0048]
FIG. 7 shows a third embodiment of the heat dissipating member according to the present invention. This heat radiating member 31 has the
[0049]
FIG. 8 shows a fourth embodiment of the heat dissipating member according to the present invention. In the third embodiment, the heat radiating member 41 has a
[0050]
FIG. 9 shows a fifth embodiment of the heat dissipating member according to the present invention, and should be said to be a modification of the above embodiment. That is, in this heat radiating member 51, chamfering is formed at each corner formed by the
[0051]
FIG. 10 shows a sixth embodiment of the heat dissipating member according to the present invention. The heat radiating member 61 has a groove shape in a cross section obtained by cutting the
[0052]
FIG. 11 shows a seventh embodiment of the heat dissipating member according to the present invention, which should be called a modified example of the above embodiment. The heat radiating member 71 is formed by forming the
[0053]
FIG. 12 shows an eighth embodiment of the heat dissipating member according to the present invention. The heat radiating member 81 is obtained by covering the
[0054]
FIG. 13 shows one example. In this case, the upper and lower
[0055]
Next, the heat dissipating members (Examples 1 to 7) of the above-described
[0056]
However, an insulation withstand voltage tester was used for this test, the test voltage was 1 KV to 4.5 KV, and the application time was 1 minute. The results are as shown in Table 1. The
[0057]
Further, in Examples 1 to 3 (FIGS. 1, 6, and 7), the amount S of pulling down from the
The pull-down in Examples 4-7 is as follows.
In Example 4 (see FIG. 8), the
In Example 5 (see FIG. 9), chamfering is formed at each corner formed by the
In Example 6 (see FIG. 10), the
The seventh embodiment (see FIG. 11) is formed in a trapezoidal shape in which the
In addition, all were made to exist inside the whole side surface around the
[0058]
[Table 1]
[0059]
As shown in Table 1, at 1 KV and 1.5 KV, no insulation problem occurred in any of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 in which the test was performed, and it was OK (pass). It was. In addition, at 2.5 KV, in Examples 1 to 7 of the present invention, insulation problems did not occur, whereas in Comparative Examples 1 and 2, an insulation failure due to discharge occurred and NG (failed) )Met. At 3.5 KV, insulation problems did not occur in Examples 3 to 7 of the present invention, whereas in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, there was an insulation failure due to discharge. Occurred. Furthermore, at 4 KV, insulation problems did not occur in Examples 4 and 5 of the present invention, whereas insulation failures due to discharge occurred in Examples 1 to 3, 6 and 7. “Not implemented” in the table indicates that the test was not performed.
[0060]
From this test result, it can be seen that according to the heat radiating member of the present invention, the insulation characteristics can be reliably improved, and any member of 2.5 KV will pose no problem. On the other hand, for a high voltage of 3.5 KV, it can be seen that it is preferable that the
[0061]
Furthermore, about the thing of Example 6, 7, the thermal cycle test was done and the presence or absence of peeling of a ceramic board was confirmed. However, in the thermal cycle test, -40 degrees to RT (room temperature) to 350 degrees was set as one cycle and held at each temperature for 30 minutes. The results are as shown in Table 2. In addition, peeling of the interface between a heat sink and a ceramic board evaluated the presence or absence of the generation | occurrence | production for every 10 cycles with the ultrasonic flaw detector.
[0062]
[Table 2]
[0063]
As shown in Table 2, the samples of Examples 6 and 7 were “no peeling” up to 70 cycles, but in Comparative Examples 1 and 2, the occurrence of peeling was observed in 30 cycles. . From this, it was also demonstrated that high reliability can be obtained for the heat cycle by forming the
[0064]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be embodied with appropriate design changes. Further, the material and dimensions (thickness, etc.) of the heat sink, the material, dimensions (thickness, etc.) of the ceramic plate, and their joining methods may be appropriately changed and embodied.
[0065]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the heat dissipation member of the present invention can effectively prevent warpage. For this reason, when a circuit board is formed using the heat dissipating member of the present invention, and further a semiconductor element is mounted to form a semiconductor device, and this is attached to an air-cooled or water-cooled heat sink via the heat dissipating member. The problem of heat dissipation characteristics due to warpage can be solved. Moreover, since the electrical insulation between the circuit layer and the heat sink can be enhanced, the semiconductor element used under a high voltage can be operated normally and stably. Furthermore, since heat cycle characteristics can be improved, a highly reliable semiconductor device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view and an enlarged cross-sectional view of a main part of a first embodiment of a heat dissipation member according to the present invention.
2 is a plan view of the heat dissipating member of FIG. 1. FIG.
3 is a side view of a circuit board in which a circuit layer is formed on the upper surface of the heat dissipating member of FIG. 1;
4 is a side view of a semiconductor device in which a circuit layer is formed on the upper surface of the heat dissipation member of FIG. 1 to form a circuit board, and a semiconductor element is soldered on the upper surface.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor device attached to a heat sink.
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a second embodiment of a heat dissipation member according to the present invention.
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a third embodiment of a heat dissipating member according to the present invention.
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a fourth embodiment of a heat dissipating member according to the present invention.
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a fifth embodiment of a heat dissipating member according to the present invention.
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a sixth embodiment of a heat dissipating member according to the present invention.
FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of a seventh embodiment of a heat dissipation member according to the present invention.
FIG. 12 is an enlarged view of a main part of a cross section of an eighth embodiment of a heat dissipation member according to the present invention.
FIG. 13 is an enlarged view of a principal part of a cross section of a ninth embodiment of a heat dissipation member according to the present invention.
FIG. 14 is an enlarged view of a principal part of a cross section showing a comparative example 1 of the heat radiating member.
FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view showing a comparative example 2 of the heat radiating member.
[Explanation of symbols]
1, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91
2 Heat sink
2a Side of heat sink
2c Top surface of heat sink
2b Underside of heat sink
3 Upper ceramic plate
3a Side of upper ceramic plate
3c Top surface of the upper ceramic plate
3b Lower surface of upper ceramic plate
4 Lower ceramic plate
4a Side of the lower ceramic plate
4c Upper surface of the lower ceramic plate
4b Lower surface of the lower ceramic plate
6 Circuit layer
10 Circuit board
11 Semiconductor devices
12 Heat sink
82 Insulation
Claims (11)
前記放熱板の下面に下部セラミック板を接合するとともに、
前記放熱板の側面のうち、前記上部セラミック板の上面に設けられる回路層の側縁であって該上部セラミック板の側縁に沿って形成される部位に対応して存在する部位を、
前記上、下両セラミック板のうちの少なくとも一方のものの側面よりも内側に存在させたことを特徴とする放熱部材。A heat dissipating member used to form a circuit board by providing a circuit layer on the upper surface of the upper ceramic plate joined to the upper surface of the metal heat dissipating plate, or a circuit layer on the upper surface of the upper ceramic plate A heat dissipation member used to form a semiconductor device by mounting a semiconductor element,
While joining a lower ceramic plate to the lower surface of the heat sink,
Of the side surface of the heat radiating plate, a side edge of a circuit layer provided on the upper surface of the upper ceramic plate and a portion existing corresponding to a portion formed along the side edge of the upper ceramic plate,
A heat dissipating member, wherein the heat dissipating member is present inside a side surface of at least one of the upper and lower ceramic plates.
前記放熱板の下面に下部セラミック板を接合するとともに、
前記放熱板の側面を、その周囲全体にわたって、前記上、下両セラミック板のうちの少なくとも一方のものの側面よりも内側に存在させたことを特徴とする放熱部材。A heat dissipating member used to form a circuit board by providing a circuit layer on the upper surface of the upper ceramic plate joined to the upper surface of the metal heat dissipating plate, or a circuit layer on the upper surface of the upper ceramic plate A heat dissipation member used to form a semiconductor device by mounting a semiconductor element,
While joining a lower ceramic plate to the lower surface of the heat sink,
A heat radiating member characterized in that the side surface of the heat radiating plate is present inside the side surface of at least one of the upper and lower ceramic plates over the entire periphery thereof.
前記両セラミック板の側面よりも内側に存在させたことを特徴とする放熱部材。In Claim 1 or 2, instead of being present inside the side surface of at least one of the two ceramic plates,
A heat dissipating member, wherein the heat dissipating member is present inside the side surfaces of the two ceramic plates.
前記放熱板の下面に下部セラミック板を接合するとともに、
前記放熱板の側面のうち、前記上部セラミック板の上面に設けられる回路層の側縁であって該上部セラミック板の側縁に沿って形成される部位に対応して存在する部位を絶縁材で被覆したことを特徴とする放熱部材。A heat dissipating member used to form a circuit board by providing a circuit layer on the upper surface of the upper ceramic plate joined to the upper surface of the metal heat dissipating plate, or a circuit layer on the upper surface of the upper ceramic plate A heat dissipation member used to form a semiconductor device by mounting a semiconductor element,
While joining a lower ceramic plate to the lower surface of the heat sink,
Of the side surface of the heat radiating plate, an insulating material is a side edge of a circuit layer provided on the upper surface of the upper ceramic plate and corresponding to a portion formed along the side edge of the upper ceramic plate. A heat radiating member characterized by being coated.
前記放熱板の下面に下部セラミック板を接合するとともに、
前記放熱板の側面をその周囲全体にわたって絶縁材で被覆したことを特徴とする放熱部材。A heat dissipating member used to form a circuit board by providing a circuit layer on the upper surface of the upper ceramic plate joined to the upper surface of the metal heat dissipating plate, or a circuit layer on the upper surface of the upper ceramic plate A heat dissipation member used to form a semiconductor device by mounting a semiconductor element,
While joining a lower ceramic plate to the lower surface of the heat sink,
A heat dissipating member, wherein the side surface of the heat dissipating plate is covered with an insulating material over the entire periphery thereof.
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