JP2009188366A - Integral semiconductor heat dissipating substrate and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低熱膨張率と高熱導率を有してなる半導体放熱用基板に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor heat dissipation substrate having a low thermal expansion coefficient and a high thermal conductivity.
従来の技術としては、Siを13wt%以上80wt%以下含有のAl−Si合金をダイキャスト法にて300〜800K/secの速度で急冷し、成形することにより、Si相の結晶粒径が50μm以下、熱膨張係数が16×10−6K−1以下、熱伝導率80W/m・K以上の特性を有し、高熱伝導・低熱膨張を有する放熱材料がある。(特許文献1参照)As a conventional technique, an Al-Si alloy containing 13 wt% or more and 80 wt% or less of Si is rapidly cooled by a die casting method at a rate of 300 to 800 K / sec, and then molded, so that the crystal grain size of the Si phase is 50 μm. Hereinafter, there is a heat dissipating material having a thermal expansion coefficient of 16 × 10 −6 K −1 or less, a thermal conductivity of 80 W / m · K or more, and high thermal conductivity and low thermal expansion. (See Patent Document 1)
また、別の従来技術として、所望によりろう材または金属との濡れ性を確保するためにあらかじめ絶縁基板の接合面を表面処理する工程と、あらかじめろう材または金属との濡れ性を確保するために表面処理されたセラミック粒子を絶縁基板上に載置させる工程と、当該セラミック粒子の上にろう材を配置させる工程と、当該ろう材を加熱溶融し、セラミック粒子間隙に浸透させ、当該ろう材と反応した金属基複合材を製造すると共に当該金属基複合材と絶縁基板とを接合する工程を含む方法により製造されうるヒートシンク機能を付与させた金属基複合材と絶縁基板との接合体からなる積層放熱部材により達成されたものがある。(特許文献2参照)
上記前者においては、ダイキャスト法で急冷成形されたもので、本発明の拡散接合(焼結)で成形されたものではなく、かつ、絶縁基板やフィン等を設けた形態ではない。 The former is formed by quenching by die casting, is not formed by diffusion bonding (sintering) according to the present invention, and is not a form in which an insulating substrate, fins, or the like are provided.
また、上記後者においては、ろう材を配置してなるもので、周知のとおり、ろう材は熱伝導率が悪く、実用上問題がある。 In the latter case, a brazing material is disposed. As is well known, the brazing material has a poor thermal conductivity and has a practical problem.
本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決するもので、絶縁板と、Si−Al複合材と、フィンとを拡散接合にて一体に成形することにより、低熱膨張率と高熱導率をバランスよく機能させてなると共に、Si粉の表面をAl粉でコーティングすることによりSiとAlの密着性を高めることができ、切欠部により歪の発生を抑え、フィンの通孔等により、より放熱効果(冷却効果)を向上させてなる半導体放熱用基板を提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of such a conventional configuration. By integrally forming an insulating plate, a Si-Al composite material, and a fin by diffusion bonding, a low thermal expansion coefficient is obtained. And high thermal conductivity function in a well-balanced manner, and by coating the surface of the Si powder with Al powder, the adhesion between Si and Al can be improved, and the occurrence of distortion is suppressed by the notch, and the fin holes An object of the present invention is to provide a semiconductor heat radiating substrate having a further improved heat radiating effect (cooling effect).
本発明は、上記目的を達成するために、SiC、AlN等による絶縁基板と、Si−Al複合材からなる複合材と、Al板によるフィンとを拡散接合にて一体に成形してなる半導体放熱用基板であって、Si−Al複合材のSiを50vol%以上80vol%以下とする。
Si−Al複合材の熱膨張係数を7×10−6K−1以上とする。
Si−Al複合材の熱伝導率を80W/m・K以上とする。
Si−Al複合材のSi粉の表面をAl粉にてコーティングしてなる。
絶縁基板の下部とフィンの上部に切欠部を形設してなる。
フィンに、バーリング加工した通孔を設けてなる。
フィンの表面に、凹凸部を設けてなる。
フィン間に、棒を貫通して設けてなる。
450℃以上530℃以下で拡散接合にて一体に成形してなることを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor heat dissipation formed by integrally forming an insulating substrate made of SiC, AlN or the like, a composite material made of a Si-Al composite material, and a fin made of an Al plate by diffusion bonding. The Si-Al composite material has a Si content of 50 vol% or more and 80 vol% or less.
The thermal expansion coefficient of the Si—Al composite material is set to 7 × 10 −6 K −1 or more.
The thermal conductivity of the Si—Al composite material is 80 W / m · K or more.
The surface of the Si powder of the Si-Al composite material is coated with Al powder.
A notch is formed in the lower part of the insulating substrate and the upper part of the fin.
The fin is provided with a burring through hole.
An uneven portion is provided on the surface of the fin.
A bar is provided between the fins.
It is integrally formed by diffusion bonding at 450 ° C. or higher and 530 ° C. or lower.
1)、絶縁基板と、Si−Al複合材とフィンとを拡散接合にて一体に成形することにより、低熱膨張率と高熱導率をバランスよく機能させてなる。
2)、Si−Al複合材の熱膨張係数を7×10−6K−1以上とし、熱伝導率を80W/m・K以上とすることにより、特にバランスのよい機能を有する。
3)、Si粉の表面をAl粉にてコーティングすることにより焼結時においてAlとの密着性を向上させることができる。
4)、絶縁基板の下部とフィンの上部に切欠部を設けることにより、拡散接合(焼結)時において密着性の向上と、歪の発生を抑えることができる。
5)、フィンにバーリング加工した通孔を設けることにより、水や空気の流れを乱流させることができ、放熱効果を向上させてなる。
6)、フィンに凹凸部や棒を設けることにより、より乱流させることができ、一層放熱効果を向上させてなる。
7)、450℃以上530℃以下の低温で焼結でき、Si−Al複合材を成形できる。1) A low thermal expansion coefficient and a high thermal conductivity are functioned in a well-balanced manner by integrally molding an insulating substrate, a Si—Al composite material, and a fin by diffusion bonding.
2) The thermal expansion coefficient of the Si—Al composite material is set to 7 × 10 −6 K −1 or more and the thermal conductivity is set to 80 W / m · K or more, thereby having a particularly well-balanced function.
3) By coating the surface of Si powder with Al powder, adhesion with Al can be improved during sintering.
4) By providing a notch in the lower part of the insulating substrate and the upper part of the fin, it is possible to improve adhesion and suppress the occurrence of distortion during diffusion bonding (sintering).
5) By providing burring through-holes in the fins, the flow of water and air can be turbulent, and the heat dissipation effect is improved.
6) By providing an uneven part and a rod on the fin, the turbulent flow can be made more and the heat dissipation effect can be further improved.
7) It can be sintered at a low temperature of 450 ° C. or higher and 530 ° C. or lower, and a Si—Al composite material can be formed.
1は、半導体放熱用基板である。
2は、SiC、AlN等による絶縁基板(本実施例の場合4箇所)で、下部両側に略V字形溝状の切欠部2aを形設してある。
3は、Alによるフィンで、複数個(本実施例の場合7箇所)のバーリング加工した通孔3aを突設してある。
なお、通孔3aの数・位置・大きさ等は、必要に応じて決めればよい。
4は、Si−Al複合材で、拡散接合加工にて焼結体成形してなるもので、上部に絶縁基板2を配設し、下部にフィン3を同じく配設してある。
加工方法としては、真空チャンバー(図示せず)内にて、上下より加圧する、超硬等による加圧体K(100MPa以上)及び黒鉛K1による電極(電流を流す)にて加熱(温度450℃以上530℃以下)することにより、焼結するものである。
この時、Siを50vol%以上80vol%以下とし、熱特性として熱膨張係数を7×10−6K−1以上とし、熱伝導率を80W/m・K以上とすべく、SiとAlのvol%を決める。
また、一層SiとAlの密着性(結合)を上げるため、Si粉の表面にAl粉をコーティングすることにより、Si同志の接触がなく、密着性(密着度)が向上する。
3 is a fin made of Al, and has a plurality of (7 locations in this embodiment) burring-processed through-holes 3a.
The number, position, size, etc. of the through holes 3a may be determined as necessary.
As a processing method, in a vacuum chamber (not shown), heating is performed with a pressure body K (100 MPa or more) made of carbide or the like and an electrode (flowing current) made of graphite K1 (temperature 450 ° C.). Sintering is performed at 530 ° C. or lower).
At this time, in order to set Si to 50 vol% or more and 80 vol% or less, to set thermal expansion coefficient to 7 × 10 −6 K −1 or more as thermal characteristics, and to set thermal conductivity to 80 W / m · K or more, vol of Si and Al %.
In addition, in order to further improve the adhesion (bonding) between Si and Al, the surface of the Si powder is coated with Al powder, so that there is no mutual contact between Si and the adhesion (adhesion degree) is improved.
上記半導体放熱用基板1のデータを以下に述べる。
本発明の半導体放熱用基板の熱特性を表1に示す。
Siが60vol%のとき、熱伝導率が100W/m・K以上となり、熱膨張係数が8×10−6K−1以上となることが分かる。
Table 1 shows the thermal characteristics of the semiconductor heat dissipation substrate of the present invention.
It can be seen that when Si is 60 vol%, the thermal conductivity is 100 W / m · K or more and the thermal expansion coefficient is 8 × 10 −6 K −1 or more.
また、Si粉の表面にAl粉をコーティングしたものの場合、表2に示すように空気層等による非密着部HB(黒点の部分)が少なく、密着性が高く、よって熱伝導率が高くなる。
次に、他の実施例を以下に述べる。
フィン23は、表面に凹凸部23bを設けてなるもので、流入する空気や水に大きな乱流や小さな乱流を混合して発生することができ、放熱効果が向上する。Next, another embodiment will be described below.
The fins 23 are provided with uneven portions 23b on the surface, and can be generated by mixing large turbulent flow or small turbulent flow with inflowing air or water, thereby improving the heat dissipation effect.
フィン33は、Al製の棒33cを貫通して設けてなるもので、特に棒33cの周囲に乱流を発生させることができ、放熱効果を高めることができる。 The fin 33 is formed by penetrating an Al rod 33c, and in particular, can generate turbulent flow around the rod 33c and enhance the heat dissipation effect.
なお、上記実施例において、Alの熱伝導率のよさとSiの熱膨張率のよさをバランスよく組み合わせたもので、切欠部の形状や数、通孔の位置や数、棒の位置や数等は必要に応じて決めればよい。
また、絶縁基板上には、ハイブリッド車のモーター回路基板等を考えているが、特に限定しない。
さらに、フィンに対しては、空気や水を流入させるが、使用用途に合わせて決めればよい。
さらにまた、Alはすべて純Alを使用するものである。In the above embodiment, the good thermal conductivity of Al and the good thermal expansion coefficient of Si are combined in a balanced manner. The shape and number of notches, the position and number of through holes, the position and number of rods, etc. Can be determined as needed.
Moreover, although the motor circuit board of a hybrid vehicle etc. are considered on an insulating board, it does not specifically limit.
Furthermore, although air and water are allowed to flow into the fins, they may be determined according to the intended use.
Furthermore, all Al uses pure Al.
1――――半導体放熱用基板
2――――絶縁基板
2a―――切欠部
3――――フィン
3a―――通孔
33c――棒
4――――Si−Al複合材
HB―――非密着部1 --- Semiconductor
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JP2014135180A (en) * | 2013-01-09 | 2014-07-24 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Battery module |
CN104404316A (en) * | 2014-12-04 | 2015-03-11 | 上海复瀚电气设备有限公司 | Aluminum-silicon composite material |
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