均熱片組件及其製造方法
2023-05-14 04:01:41
專利名稱:均熱片組件及其製造方法
技術領域:
本發明涉及用於冷卻由半導體等構成的IC晶片等的均熱片組件及其製造方法。
背景技術:
一般,作為將IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor柵極隔離型雙極性電晶體)等半導體裝置上產生的熱量有效地散熱的構件的均熱片組件(heat spreader module),由電路基板、絕緣基板、金屬板及均熱片材(熱擴散層)構成。該均熱片材的下面與散熱片(heat sink)連接。
以前,將這些構件接合時,往往利用焊接層(熔點=250℃左右)進行接合。但是,由於焊接層成為大的熱阻,且要經過電路基板與絕緣基板的焊接(brazing)工序和接合體與臺座的接合工序這2個工序,成為使製造成本高價格化的要因。
於是,本發明人先在專利文獻1中公開了用硬焊材將電路基板、絕緣基板、中間層及散熱片材邊加壓邊加熱而接合,從而不殘留成為熱阻的接合層,且用1個工序接合的方法。依據該方法,可低價獲得具有高熱導率的均熱片組件。
另外,本發明人還提出了在接合均熱片組件時,不產生剩餘的硬焊材,而且可獲得必要的接合強度的均熱片組件的製造方法及均熱片組件(例如參照專利文獻2)。
專利文獻1日本特開2002-43482號公報專利文獻2日本特開2004-303818號公報但是,例如用CuMo等構成與散熱片連接的均熱片材時,為了使半導體裝置上產生的熱量在廣範圍內擴散,需要寬廣地形成,例如在安裝多個半導體裝置時,需要在寬廣的均熱片材上將多個半導體裝置彼此相間隔地安裝。再有,在均熱片材與各半導體裝置之間有電路基板、絕緣基板和金屬板。
因而,傳統的均熱片組件的尺寸會變大,另外,也需要加大均熱片材的厚度,因此均熱片組件的輕型化、矮個化、小型化及成本的低廉化有限制。
發明內容
本發明考慮上述課題構思而成,目的是提供一種均熱片組件,可以不用傳統必需的均熱片材而構成,並可輕型化、矮個化、小型化及成本的低廉化,而且也可提高對熱循環的可靠性。
本發明的另一目的是提供一種均熱片組件的製造方法,能夠容易地製作可實現輕型化、矮個化、小型化及成本的低廉化的均熱片組件,並可改善均熱片組件的生產性、成品率,而且可改善均熱片組件的熱導性。
本發明的均熱片組件中包括至少板材、絕緣基板、電路基板按該順序接合的接合體,其特徵在於所述板材包括多孔性燒結體和金屬層,具有所述多孔性燒結體的一部分或全部由所述金屬層包圍的結構。
從而,板材具有均熱片材的功能,因此可以不用傳統必需的均熱片材而構成均熱片組件,並且,無需寬廣地形成板材,因此可實現均熱片組件的輕型化、矮個化、小型化及成本的低廉化。另外,多孔性燒結體作為應力緩衝材起作用,因此可提高對熱循環的可靠性。
而且,在上述結構中,所述多孔性燒結體最好具有所述接合體厚度的30%以上、99%以下的厚度。若具有52%以上、91%以下的厚度則更好。
另外,在上述結構中,所述金屬層的厚度t最好在所述接合體厚度的0.01%以上、50%以下的範圍。從而,在絕緣基板與多孔性燒結體之間以及與板材接合的散熱片(水冷或空冷用的冷卻扇等)與多孔性燒結體之間隔著金屬層,不僅可提高接合體整體的熱導性,而且也可確保板材與散熱片的接合強度。另外,在上述的厚度範圍內,可用多孔性燒結體充分地緩和金屬層上發生的應力,並可提高對熱循環的可靠性。
另外,在上述結構中,設從與所述板材的所述絕緣基板的接合面到所述多孔性燒結體的所述金屬層的厚度為t1、從與所述板材的所述絕緣基板的接合面相反側的面到所述多孔性燒結體的所述金屬層的厚度為t2時,最好t1/t2=0.1~10。t1/t2=1或越接近1,板材內的多孔性燒結休的配置平衡就越好,能夠容易地抑制用以提高板材與散熱片的接合強度的板材的翹曲。
另外,在上述結構中,可在所述多孔性燒結體中浸漬構成所述金屬層的金屬材料。此時,可進一步提高熱導率。
另外,在上述結構中,所述多孔性燒結體最好為碳、SiC、BeO、BN、AlN、Si3N4。此時,熱導率高達300W/mK以上,因此也能提高接合體整體的熱導率。並且,比傳統的例如CuMo制的均熱片材輕,因此可抑制接合體整體重量的增加。
另外,在上述結構中,所述絕緣基板可由AlN(氮化鋁)形成。由於AlN熱導率高,有利於提高接合體整體的熱導率。
另外,在上述結構中,所述絕緣基板可由Si3N4(氮化矽)形成。此時,強度高於AlN,因此適合用於在電路基板上焊接IC晶片時,或者在板材焊接散熱片時,由於焊接層的厚度或種類而可能板材的應力緩和不充分的場合。
再有,當絕緣基板為AlN或Si3N4時,所述金屬層可由Al(鋁)形成。或者,當絕緣基板為Si3N4時,所述金屬層可由Cu(銅)形成。當金屬層為Cu制時,AlN的絕緣基板中可能不能緩和應力,因此最好採用Si3N4的絕緣基板。
另外,所述接合體的所述電路基板、所述絕緣基板及所述板材可用內冷鐵法一體地構成(第一結構),也可在所述電路基板與所述絕緣基板之間隔著接合材,並在所述絕緣基板與所述板材之間隔著接合材進行接合(第二結構)。第一結構可用內冷鐵法容易地製作接合體,因此可簡化製造工序。根據材料的選定也有不能採用內冷鐵法的場合,第二結構可適合用於這種場合。
接著,本發明的均熱片組件的製造方法中,該均熱片組件包括至少板材、絕緣基板、電路基板按該順序接合的接合體,所述板材包括多孔性燒結體和金屬層,具有所述多孔性燒結體的一部分或全部由所述金屬層包圍的結構,所述均熱片組件的製造方法的特徵在於包括以下工序鑄模內設置所述絕緣基板和所述多孔性燒結體,使熔化金屬流入所述鑄模的空腔內,通過冷卻所述鑄模,製作所述電路基板、所述絕緣基板和所述板材一體化的接合體。
從而,能夠容易地製作可輕型化、矮個化、小型化及成本的低廉化的均熱片組件,並可改善均熱片組件的生產性、成品率。並且,接合體的各構件間無需隔著硬焊材或焊接層,因此可改善均熱片組件的熱導性。
還有,在上述製造方法中,所述多孔性燒結體可預先浸漬與所述熔化金屬相同的金屬材料。另外,可在所述鑄模內設置所述絕緣基板和所述多孔性燒結體,並使熔化金屬流入所述鑄模的空腔內,然後,對所述熔化金屬加壓(液態模鍛法、壓力鑄造法)。
如以上說明,依據本發明的均熱片組件,可以不用傳統必需的均熱片材而構成,並可矮個化、小型化及成本的低廉化。
另外,依據本發明的均熱片組件的製造方法,能夠容易地製作可輕型化、矮個化、小型化及成本的低廉化的均熱片組件,並可改善均熱片組件的生產性、成品率,而且可改善均熱片組件的熱導性。
圖1是本實施方式的均熱片組件及散熱片組件的結構圖。
圖2是表示板材的變形例的剖視圖。
圖3是一例表示多孔性燒結體的透視圖。
圖4是另一例表示多孔性燒結體的透視圖。
圖5是表示觀察接合體的熱導性與耐熱衝擊性的實驗例中的實施例1~8及比較例1~5的詳細內容的表。
圖6是觀察接合體的熱導性與耐熱衝擊性的實驗例的結果的表。
圖7A是表示在第一製造方法中鑄模內設置絕緣基板及多孔性燒結體的狀態的工序圖,圖7B是表示使熔化金屬流入鑄模的空腔內的狀態的工序圖。
圖8A是表示在第二製造方法中鑄模內設置多孔性燒結體的狀態的工序圖,圖8B是使熔化金屬流入鑄模的空腔內的狀態的工序圖。
圖9A是第二製造方法中的設置(setting)工序的說明圖,圖9B是接合工序的說明圖。
符號說明10均熱片組件,12接合體,14板材,16絕緣基板,18電路基板,20、26焊接層,22IC晶片,24散熱片,30、30A、30B多孔性燒結體,32金屬層。
具體實施例方式
以下,參照圖1~圖9B,就本發明的均熱片組件及其製造方法的如圖1所示,本實施方式的均熱片組件10具備接合體12,該接合體12包括板材14、在該板材14上配置的絕緣基板16、在該絕緣基板16上配置的電路基板18。
在接合體12的上面即電路基板18的上面通過焊接層20安裝IC晶片22,在接合體12的下面即板材14的下面例如通過潤滑脂層、焊接層26接合散熱片24(水冷或空冷用的冷卻扇等),從而構成散熱片組件28。
板材14包括多孔性燒結體30和金屬層32,具有多孔性燒結體30的一部分或全部由金屬層32包圍的結構。在該實施方式中,如圖1所示,具有金屬層32在整個多孔性燒結體30上形成的結構,但如圖2的變形例所示,可採用多孔性燒結體30的上面及下面形成金屬層32,使側面露出的結構。就是說,在多孔性燒結體30的上部和下部分別存在金屬層32即可。
在以下的說明中,整個多孔性燒結體30上形成的金屬層32中,位於多孔性燒結體30的上部的金屬層32稱為上部金屬層32a,位於多孔性燒結體30的下部的金屬層32稱為下部金屬層32b。
如圖3所示,多孔性燒結體30通過將碳預烘乾後網狀化來獲得,且可為形成有許多開氣孔34的多孔性燒結體(碳、SiC、BeO、BN、AlN、Si3N4等),如圖4所示,也可在多孔性燒結體(碳、SiC、BeO、BN、AlN、Si3N4等)30A的開氣孔34內浸漬與構成金屬層32的金屬材料相同的金屬材料36作為多孔性燒結體30B。此時,製作圖1所示接合體12時,可同時在多孔性燒結體30中浸漬金屬。
另外,絕緣基板16可用AlN或Si3N4,作為構成板材14的金屬層32的金屬材料可採用Al(鋁)或Cu(銅)。
這樣,在本實施方式的均熱片組件10中,板材14作為均熱片材起作用,因此可以不用傳統必需的均熱片材而構成均熱片組件10,而且無需寬廣地形成板材14,因此可實現均熱片組件10及散熱片組件28的輕型化、矮個化、小型化及成本的低廉化。另外,由於多孔性燒結體30作為應力緩衝材起作用,可改善對熱循環的可靠性。
這裡,就板材14的理想構成例進行說明。首先,多孔性燒結體30最好具有接合體12的厚度ta的30%以上、99%以下的厚度t3。顯示該情況的實驗例,通過實施例1~6及比較例1~5,觀察接合體12的熱導性和耐熱衝擊性。在圖5示出實施例1~6及比較例1~5的詳細內容,且在圖6示出實驗結果。
圖6中,熱導性的評價中設接合體12的熱導率在169W/mK以下時為「×」;在170~200W/mK以下時為「△」;在201~230W/mK以下時為「○」;在230W/mK以上時為「◎」。
同樣地,耐熱衝擊性的評價中設在150~-65℃的熱循環為0~100次時在接合體12上產生剝離的場合為「×」;所述熱循環為101~500次時接合體上產生剝離的場合為「△」;所述熱循環為501~1000次時接合體上產生剝離的場合為「○」;所述熱循環為1001~2000次時接合體上產生剝離的場合為「◎」。
然後,實施例1~4中,設電路基板18的材料為Al(鋁)、厚度為0.6mm,設絕緣基板16的材料為AlN(氮化鋁)、厚度為0.635mm,設板材14的金屬層32的材料為Al、特別是上部金屬層32a的厚度為0.6mm、下部金屬層32b的厚度為0.6mm,其中,實施例1將板材14的多孔性燒結體30的材料設為碳黑(多孔性燒結體30A),實施例2~4使用碳黑中浸漬Al的物體(多孔性燒結體30B)。再有,多孔性燒結體30的厚度t3在實施例1和2中為2.000mm、實施例3中為10.000mm、實施例4中為1.200mm。
實施例5~8中,設電路基板18的材料為Cu(銅)、厚度為0.3mm,設絕緣基板16的材料為Si3N4(圖5中表示為SN)、厚度為0.300mm,並設板材14的金屬層32的材料為Cu,其中,實施例5、6及8將上部金屬層32a及下部金屬層32b的厚度分別設為0.3mm,實施例7將上部金屬層32a及下部金屬層32b的厚度分別設為0.4mm。而且,實施例5中設板材14的多孔性燒結體30的材料為碳,實施例6~8使用碳中浸漬Cu的物體。再有,多孔性燒結體30的厚度t3在實施例5和6中為2.000mm、實施例7中為10.000mm、實施例8中為0.900mm。
比較例1和4中,設電路基板18的材料為Al、厚度為0.6mm,設絕緣基板16的材料為AlN、厚度為0.635mm,設板材14的金屬層32(僅上部金屬層32a,不存在下部金屬層32b)的材料為Al,其中,比較例1中將金屬層的厚度設為0.6mm,比較例4中將金屬層的厚度設為0.3mm。
比較例2、3及5中,設電路基板18的材料為Cu、厚度為0.3mm,設絕緣基板16的材料為Si3N4、厚度為0.300mm,設板材14的金屬層32(僅上部金屬32a,不存在下部金屬層32b)的材料為Cu、厚度為0.3mm。
特別是,比較例1和2的板材中不存在多孔性燒結體30而僅為金屬層32。另一方面,比較例3中設板材14的多孔性燒結體30的材料為碳黑,比較例4採用碳中浸漬Al的物體,比較例5採用碳中浸漬Cu的物體。再有,多孔性燒結體30的厚t3在比較例3中為0.300mm、比較例4中為0.400mm、比較例5中為0.200mm。
就是說,從多孔性燒結體30的厚度t3與接合體12厚度ta之比看,實施例1和2中,多孔性燒結體30具有接合體12的厚度ta的45.1%的厚度t3,實施例3中,多孔性燒結體30具有接合體12的厚度ta的80.4%的厚度t3,實施例4中,多孔性燒結體30具有接合體12的厚度ta的33.0%的厚度t3,實施例5和6中,多孔性燒結體30分別具有接合體12的厚度ta的62.5%的厚度t3,實施例7中,多孔性燒結體30具有接合體12的厚度ta的87.7%的厚度t3,實施例8中,多孔性燒結體30具有接合體12的厚度ta的42.9%的厚度t3。
同樣地,比較例1和2中,多孔性燒結體30具有接合體12的厚度ta的0%的厚度,比較例3中,多孔性燒結體30具有接合體12的厚度ta的25.0%的厚度t3,比較例4中,多孔性燒結體30具有接合體12的厚度ta的20.7%的厚度t3,比較例5中,多孔性燒結體30具有接合體12的厚度ta的18.2%的厚度t3。
如圖6所示,由該實驗例可知當多孔性燒結體30的厚度t3在接合體12的厚度ta的25%以下時(比較例1~5),熱導性差、對熱衝擊性的可靠性也下降。另一方面,可知當多孔性燒結體30的厚度t3在接合體12的厚度ta的30%以上時(實施例1~8),熱導性良好、對熱衝擊性的可靠性也高。
作為其它理想的形態,金屬層32的厚度(上部金屬層32a及下部金屬層32b的各厚度)最好在接合體12的厚度ta的0.01%以上、50%以下的範圍。從而,在絕緣基板16與多孔性燒結體30之間以及與板材14接合的散熱片24(水冷或空冷用的冷卻扇等)與多孔性燒結體30之間隔著金屬層32,不僅可提高接合體12整體的熱導性,而且可確保板材14和散熱片24的接合強度。另外,在上述的厚度範圍,可用多孔性燒結體30充分地緩和在金屬層32上發生的應力,並可改善對熱循環的可靠性。
另外,圖1中,設從板材14的絕緣基板16的接合面到多孔性燒結體30的金屬層32的厚度為t1、從板材14的絕緣基板16的接合面相反側的面到多孔性燒結體30的金屬層32的厚度為t2時,最好t1/t2=0.1~10。t1/t2=1或越接近1,板材14內的多孔性燒結體30配置平衡就越好,能夠容易地抑制用以提高板材14與散熱片24的接合強度的板材14的翹曲。
在本實施方式中,如圖4所示,作為多孔性燒結體30,若使用多孔性燒結體30A中浸漬構成金屬層32的金屬材料36的類型的物體(多孔性燒結體30B),則可進一步改善熱導率。
另外,作為多孔性燒結體30,若使用碳、SiC、BeO、BN、ALN、Si3N4,則熱導率高達300W/mK以上,因此可提高接合體12整體的熱導率。並且,由於比傳統的例如CuMo制的均熱片材輕,可抑制接合體12整體重量的增加。
另外,若用AlN構成絕緣基板16,則由於AlN的熱導率高而有利於提高接合體12整體的熱導率。若用Si3N4構成絕緣基板16,則由於強度高於AlN,適合用於電路基板18上焊接IC晶片22時,或者在板材14焊接散熱片24時,由於焊接層20和26的厚度或種類而可能板材14的應力緩和不充分的場合。
再有,絕緣基板16為AlN或Si3N4的場合,金屬層32可由Al形成。或者,絕緣基板16為Si3N4的場合,金屬層32可由Cu形成。若設金屬層32為Cu,則AlN的絕緣基板16中可能不能緩和應力,因此最好採用Si3N4的絕緣基板16。
這裡,參照圖7A~圖9B,就本實施方式的均熱片組件10的製造方法進行說明。
首先,如圖7A所示,第一製造方法中,在內冷鐵法中使用的鑄模40A和40B內設置絕緣基板16和多孔性燒結體30。然後,如圖7B所示,使熔化金屬44流入鑄模40A和40B的空腔42(參照圖7A)內。此時,熔化金屬44流入絕緣基板16的端面與鑄模40A的內壁面46之間,同時熔化金屬44包圍多孔性燒結體30地流入。流入絕緣基板16的端面與鑄模40A的內壁面46之間的熔化金屬44後來成為電路基板18,包圍多孔性燒結體30地流入的熔化金屬44後來成為板材14的金屬層32。
然後,冷卻鑄模40A和40B,通過開鑄模40A和40B,完成電路基板18、絕緣基板16和板材14一體化的接合體12即本實施方式的均熱片組件10。其後,如圖1所示,在電路基板18上通過焊接層20安裝IC晶片22,在板材14的端面通過焊接層26接合散熱片24,從而完成散熱片組件28。
在該第一製造方法中,用內冷鐵法能夠容易地製作接合體12,因此可簡化製造工序。就是說,能夠容易地製作可輕型化、矮個化、小型化及成本的低廉化的均熱片組件10,並可改善均熱片組件10及散熱片組件28的生產性、成品率。而且,由於無需在接合體12的各構件之間隔著硬焊材或焊接層,可改善均熱片組件10的熱導性。
如圖8A所示,第二製造方法首先用內冷鐵法在鑄模50內設置多孔性燒結體30,然後,如圖8B所示,使熔化金屬44流入鑄模50的空腔52(參照圖8A)內,製作板材14。顯然,可在使熔化金屬流入鑄模內後,用衝壓等對熔化金屬加壓(這裡未圖示)(液態模鍛法、壓力鑄造法)。從而,可同時在多孔性燒結體30中浸漬金屬,並可將多孔性燒結體30中浸漬金屬的複合材與用金屬層32內冷鐵的板材14同時製作。
然後,如圖9A所示,在板材14上依次疊放(設置)硬焊材54、絕緣基板16、硬焊材56及電路基板18。該設置工序例如在大氣中進行。
然後,如圖9B所示,將上述已設置電路基板18、硬焊材56、絕緣基板16及硬焊材54的板材14固定於夾具(jig)58上,例如在1.0×10-5Torr以下的真空中,從上方加壓並升溫/降溫來接合。通過該接合處理,如圖1所示,完成電路基板18、絕緣基板16及板材14一體化的接合體即均熱片組件10。
然後,與上述的第一製造方法同樣,在電路基板18上通過焊接層20安裝IC晶片22,在板材14的端面通過焊接層26接合散熱片24,從而完成散熱片組件28。
在採用該第二製造方法的場合,硬焊材54和56最好是含有活性元素的硬焊材。此時,活性元素可採用屬於Mg、Sr、Ca、Ba、Be等的周期表IIA族;Ce等的IIIB族;Ti、Zr等的IVB族;或者,屬於Nb等的VB族;B、Si等的IIIA、IVA族的元素中的至少一種。該實施方式中,硬焊材54和56使用Ag-Cu-In-Ti的硬焊材。此時,活性元素為Ti。
根據材料的選定也有不能採用內冷鐵法的場合,該第二製造方法可適合用於這種場合。
再有,本發明的均熱片組件及其製造方法並不限於上述的實施方式,在不超出本發明主旨的範圍,顯然可採用各種構成。
權利要求
1.一種均熱片組件,其中包括至少板材、絕緣基板、電路基板按該順序接合的接合體,其特徵在於所述板材包括多孔性燒結體和金屬層,具有所述多孔性燒結體的一部分或全部由所述金屬層包圍的結構。
2.如權利要求1所述的均熱片組件,其特徵在於所述多孔性燒結體具有所述接合體厚度的30%以上、99%以下的厚度。
3.如權利要求1或權利要求2所述的均熱片組件,其特徵在於所述金屬層的厚度t在所述接合體厚度的0.01%以上、50%以下的範圍。
4.如權利要求1或權利要求2所述的均熱片組件,其特徵在於設從與所述板材的所述絕緣基板的接合面到所述多孔性燒結體的所述金屬層的厚度為t1、從與所述板材的所述絕緣基板的接合面相反側的面到所述多孔性燒結體的所述金屬層的厚度為t2時,t1/t2=0.1~10。
5.如權利要求1或權利要求2所述的均熱片組件,其特徵在於在所述多孔性燒結體中浸漬構成所述金屬層的金屬材料相同的金屬材料。
6.如權利要求1或權利要求2所述的均熱片組件,其特徵在於所述多孔性燒結體為碳、SiC、BeO、BN、AlN、Si3N4。
7.如權利要求1或權利要求2所述的均熱片組件,其特徵在於所述絕緣基板由氮化鋁形成。
8.如權利要求1或權利要求2所述的均熱片組件,其特徵在於所述絕緣基板由氮化矽形成。
9.如權利要求1或權利要求2所述的均熱片組件,其特徵在於所述金屬層由鋁或其合金形成。
10.如權利要求8所述的均熱片組件,其特徵在於所述金屬層由銅或其合金形成。
11.如權利要求1或權利要求2所述的均熱片組件,其特徵在於所述接合體的所述電路基板、所述絕緣基板及所述板材用內冷鐵法一體地構成。
12.如權利要求1或權利要求2所述的均熱片組件,其特徵在於所述接合體中,在所述電路基板與所述絕緣基板之間隔著接合材,並在所述絕緣基板與所述板材之間隔著接合材進行接合。
13.一種均熱片組件的製造方法,該均熱片組件包括至少板材、絕緣基板、電路基板按該順序接合的接合體,所述板材包括多孔性燒結體和金屬層,具有所述多孔性燒結體的一部分或全部由所述金屬層包圍的結構,所述均熱片組件的製造方法的特徵在於包括以下工序鑄模內設置所述絕緣基板和所述多孔性燒結體,使熔化金屬流入所述鑄模的空腔內,通過冷卻所述鑄模,製作所述電路基板、所述絕緣基板和所述板材一體化的接合體。
14.如權利要求13所述的均熱片組件的製造方法,其特徵在於所述多孔性燒結體預先浸漬與所述熔化金屬相同的金屬材料。
15.如權利要求13所述的均熱片組件的製造方法,其特徵在於在所述鑄模內設置所述絕緣基板和所述多孔性燒結體,並使熔化金屬流入所述鑄模的空腔內,然後,對所述熔化金屬加壓。
全文摘要
均熱片組件(10)具備接合體(12),該接合體(12)包括板材(14)、在該板材(14)上配置的絕緣基板(16)、在該絕緣基板(16)上配置的電路基板(18)。在該接合體(12)的上面即電路基板(18)的上面通過焊接層(20)安裝IC晶片(22),在接合體(12)的下面即板材(14)的下面例如通過焊接層(26)接合散熱片(24),從而構成散熱片組件(28)。從而,可以不用傳統必需的均熱片材而構成,並可輕型化、矮個化、小型化及成本的低廉化,而且也可提高對熱循環的可靠性。
文檔編號H01L21/48GK1929119SQ20061015372
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月8日 優先權日2005年9月9日
發明者石川修平 申請人:日本礙子株式會社