(57)【要約】【課題】放熱性の優れた回路基板を提供することを課題とする。【解決手段】Ａｌ／ＳｉＣ複合材からなる放熱板２の裏面２ｂに複数のフィン２ｃが形成されており、この放熱板２の裏面２ｂがカバーケース５で覆われ、放熱板２とカバーケース５の周縁部をゴムパッキン８を介して締結ボルト７で固着することにより、カバーケース５と放熱板２の裏面２ｂとの間に冷媒通路６が区画形成される。放熱板２の表面２ａ上には絶縁層３が形成され、絶縁層３の表面３ａ上には配線層４が形成され、配線層４の表面４ａ上にはんだ９を介して半導体素子１０が搭載されている。冷媒通路６に冷却媒体を流通させた状態で半導体素子１０を駆動すると、半導体素子１０で発生した熱は、配線層４及び絶縁層３を介して放熱板２の表面２ａに伝達され、放熱板２の内部を通って裏面２ｂにまで伝達され、冷媒通路６に流通している水により効率よく放出される。【選択図】図１
2007227598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ／ＳｉＣ複合材からなると共に裏面に凹凸部が形成された放熱板と、
前記放熱板の裏面を覆って前記放熱板の凹凸部との間に冷媒通路を形成するカバーケースと、
前記放熱板の表面上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の表面上に形成された配線層と
を備えることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記カバーケースは、締結部材を用いて前記放熱板に固定される請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記放熱板と前記カバーケースとの接合部に防水部材が配設された請求項１または２に記載の回路基板。
【請求項４】
前記配線層が形成されていない部分の前記絶縁層の表面を覆うように、吸湿しない材質からなるシール層が形成された請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路基板。
【請求項５】
前記放熱板は、Ａｌ／ＳｉＣ複合材から鋳造法によりニアネットシェープ形成されたものである請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路基板。
【請求項６】
前記放熱板は、真空鋳造法により形成されたものである請求項５に記載の回路基板。
【請求項７】
前記放熱板は、高圧鋳造法により形成されたものである請求項５に記載の回路基板。
【請求項８】
前記絶縁層は、ゾルーゲル法で前記放熱板の表面上に焼成形成されたものであり、
前記配線層は、前記絶縁層を焼成形成する際に同時に前記絶縁層の表面上に接合されたものである請求項１〜７のいずれか一項に記載の回路基板。
【請求項９】
前記絶縁層は、Ａｌ−Ｓｉ系のゾル原料を用いて形成される請求項８に記載の回路基板。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の回路基板と、
前記回路基板の前記配線層の表面上に搭載された半導体素子と
を備えることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回路基板及び半導体装置に係り、特にＡｌ／ＳｉＣ複合材からなる放熱板を有する回路基板及びこの回路基板を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールに用いられる回路基板が特許文献１に開示されている。この回路基板は、配線層を形成するための金属板を酸化もしくは窒化して、あるいは金属板の表面上に形成された無機高分子層を酸化、窒化もしくは熱分解して、絶縁層を形成し、この絶縁層を介して金属板を平板状の放熱板に接合したものである。放熱板の材質としては、優れた熱伝導率を有しながらも熱膨張係数の小さなＡｌ／ＳｉＣ複合材が使用されている。
【０００３】
また、パワーモジュール用の冷却デバイスが特許文献２に開示されている。この冷却デバイスは、Ａｌ／ＳｉＣ複合材から形成された平板状部材の上部に半導体素子を搭載すると共に、平板状部材の下部にＡｌ等の金属から形成された半シェル状部材を組み合わせてこれらの間に空洞を形成し、空洞内に冷却媒体を流通させるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４７４６号公報
【特許文献２】特開２００１−２２３３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の回路基板では、優れた熱伝導率を有するＡｌ／ＳｉＣ複合材からなる放熱板が使用されているものの、平板状の放熱板では高出力のパワー素子を冷却するには不十分であった。冷却効果を高めるために、放熱板にさらに冷却器を接続しようとすると、放熱板と冷却器との間の空隙を埋めるためにシリコングリース等を塗布する必要があるが、シリコングリースの熱伝導率は通常０．８Ｗ／ｍＫと低いため、グリースによって放熱性が損なわれるという問題があった。
【０００６】
また、特許文献２の冷却デバイスでは、Ａｌ／ＳｉＣ複合材からなる平板状部材の下部に形成された空洞に冷却媒体を流通させることで冷却しようとしているが、平板状部材では冷却媒体に接触する表面積が小さいため、大きな冷却効果を得ることはできない。特許文献２には、さらに、平板状部材の下面にスタッドまたはリブ形状の冷却要素を設けることが記載されているが、平板状部材と冷却要素との接合方法については記載がない。Ａｌ／ＳｉＣ複合材は高硬度であるので機械加工が難しく、冷却要素を平板状部材にネジ止め等により直接接合することは容易でない。接着層等を介して接合することも考えられるが、この場合には、接着層により放熱性が損なわれるという問題を生じてしまう。
【０００７】
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、放熱性の優れた回路基板を提供することを目的とする。
また、この発明はさらにこのような回路基板を用いた半導体装置を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る回路基板は、Ａｌ／ＳｉＣ複合材からなると共に裏面に凹凸部が形成された放熱板と、放熱板の裏面を覆って放熱板の凹凸部との間に冷媒通路を形成するカバーケースと、放熱板の表面上に形成された絶縁層と、絶縁層の表面上に形成された配線層とを備えたものである。
凹凸部により大きな表面積が確保された放熱板の裏面をカバーケースで覆って冷媒通路を形成するため、優れた冷却効果が得られる。
【０００９】
なお、カバーケースは、締結部材を用いて放熱板に固定することができる。
好ましくは、放熱板とカバーケースとの接合部に防水部材が配設される。
さらに、配線層が形成されていない部分の絶縁層の表面を覆うように、吸湿しない材質からなるシール層を形成することが好ましい。
【００１０】
放熱板は、Ａｌ／ＳｉＣ複合材から鋳造法によりニアネットシェープ形成することができる。鋳造法としては、真空鋳造法あるいは高圧鋳造法が好ましい。
また、絶縁層は、ゾルーゲル法で放熱板の表面上に焼成形成することができ、このとき同時に配線層を絶縁層の表面上に接合することができる。好ましくは、Ａｌ−Ｓｉ系のゾル原料を用いて絶縁層が形成される。
この発明に係る半導体装置は、上述したこの発明の回路基板と、回路基板の配線層の表面上に搭載された半導体素子とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、Ａｌ／ＳｉＣ複合材からなると共に裏面に凹凸部が形成された放熱板を用いて放熱性の優れた回路基板を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る回路基板１を用いた半導体装置の構成を示す。回路基板１は、放熱板２を有しており、放熱板２の表面２ａ上に絶縁層３が形成され、絶縁層３の表面３ａ上に配線層４が形成されている。さらに、回路基板１は、放熱板２の裏面２ｂを覆うカバーケース５を有している。
放熱板２は、Ａｌ／ＳｉＣ複合材からなり、裏面２ｂに複数のフィン２ｃを有する凹凸部が形成されている。この放熱板２の裏面２ｂがカバーケース５で覆われ、これによりカバーケース５と放熱板２の裏面２ｂとの間に冷媒通路６が区画形成されている。
放熱板２とカバーケース５は、それらの周縁部に配置された複数の締結ボルト７によって互いに固着されている。これら締結ボルト７により固着される放熱板２とカバーケース５の接合部には、冷媒通路６内の冷却媒体が外部に漏出しないように防水部材としてのゴムパッキン８が配設されている。
【００１３】
絶縁層３は、例えばＡｌ−Ｓｉ系の酸化物から形成されるが、電気絶縁性を有していればよく、酸化物、窒化物等各種の材質のものを用いることができる。
配線層４は、電気伝導性に優れたＡｌ、Ｃｕ等の金属から形成されている。
カバーケース５は、放熱板２と共に冷媒通路６を保持してこの回路基板１を支持できればよく、材質は限定されない。例えば、安価で加工が容易なＡｌ板をプレス成型することにより形成することができる。
【００１４】
このような回路基板１の配線層４の表面４ａ上にはんだ９を介して半導体素子１０が搭載されている。
冷媒通路６に冷却媒体として例えば水を流通させた状態で半導体素子１０が駆動される。駆動に伴って半導体素子１０で発生した熱は、配線層４及び絶縁層３を介して放熱板２の表面２ａに伝達される。放熱板２は熱伝導に優れたＡｌ／ＳｉＣ複合材から形成されているため、放熱板２の表面２ａに伝達された熱は、放熱板２の内部を通って迅速に裏面２ｂにまで伝達される。
ここで、放熱板２の裏面２ｂは、複数のフィン２ｃを有する凹凸部の存在に起因して大きな表面積を有している。このため、放熱板２の裏面２ｂにまで伝達された熱は、冷媒通路６に流通している水により効率よく放出されることとなる。
【００１５】
このように、放熱板２の裏面２ｂに複数のフィン２ｃを直接形成したことにより、低熱伝導のシリコングリース等を塗布する必要がなく、放熱性の優れた回路基板１が実現されている。
また、放熱板２を熱膨張係数の小さなＡｌ／ＳｉＣ複合材から形成しているため、冷熱サイクルにおいてはんだ９にクラックが発生することが効果的に防止される。
【００１６】
次に、回路基板１の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示されるように、裏面２ｂに凹凸部を有する放熱板２をＡｌ／ＳｉＣ複合材から真空鋳造法によりニアネットシェープ形成する。ニアネットシェープ形成により、切削や研削等の後加工を施さなくても、複数のフィン２ｃを有する放熱板２を得ることができる。このとき、放熱板２の周縁部に締結ボルト７を通すための複数の貫通孔２ｄを同時に形成しておく。
【００１７】
次に、図２（ｂ）に示されるように、放熱板２の表面２ａ上に絶縁層３を形成すると共に絶縁層３の表面３ａ上に配線層４を形成する。ここで、絶縁層３をゾルーゲル法で焼成形成し、この焼成形成の際に同時に絶縁層３の表面３ａ上に配線層４を接合することができる。特に、ゾル原料としてＡｌ−Ｓｉ系の材料を選択すれば、絶縁層３の形成に必要な焼成温度は２００℃程度以下と極めて低い温度で済むので、放熱板２と絶縁層３と配線層４の熱膨張係数の差に起因した反りの発生が抑制され、配線層４の上に半導体素子１０をはんだ付けする際のはんだボイドの発生を低減することができる。
【００１８】
次に、図２（ｃ）に示されるように、例えばＡｌ板をプレス成型することによりカバーケース５を形成する。このとき、カバーケース５の中央部に、冷媒通路６を形成するための凹部５ａを形成すると共に、周縁部に、放熱板２の貫通孔２ｄに対応した複数の貫通孔５ｂを形成しておく。
周縁部にゴムパッキン８を挟んで放熱板２の裏面２ｂにカバーケース５を位置合わせする。ここで、ゴムパッキン８は、互いに接合される放熱板２とカバーケース５の周縁部の全長にわたって延在しており、放熱板２の貫通孔２ｄ及びカバーケース５の貫通孔５ｂに対応した位置にのみ締結ボルト７を通すための貫通孔８ａが形成されている。
放熱板２の貫通孔２ｄとゴムパッキン８の貫通孔８ａとカバーケース５の貫通孔５ｂに締結ボルト７を通して、図２（ｄ）に示されるように、放熱板２とカバーケース５を互いに固着する。これにより、放熱板２の裏面２ｂとカバーケース５の凹部５ａの間に冷媒通路６が形成される。
【００１９】
ここで、図１に示した実施の形態１に係る回路基板を用いた半導体装置の熱抵抗をシミュレートした。大きさａ×ａの正方形の半導体素子の裏面から４５度の角度で熱拡散して厚さＨのはんだ層を伝わり、配線層に熱を伝えることができる面積Ｓは、左右方向４５度の熱の広がりのみを考慮するものとすると、
Ｓ＝ａ×（２Ｈ＋ａ）    ・・・（１）
となる。
一般に、熱抵抗Ｒは、熱伝導率λ、放熱面積Ａ、放熱長さ（板厚）Ｌから、
Ｒ＝Ｌ／（λ×Ａ）    ・・・（２）
と表されるため、これら式（１）及び（２）より、厚さＨのはんだ層の熱抵抗Ｒｔｈは、
Ｒｔｈ＝Ｈ／｛λ×ａ×（２Ｈ＋ａ）｝    ・・・（３）
となる。
【００２０】
同様にして、半導体装置の各構成部分の熱抵抗を算出したところ、表１に示すような結果が得られた。
半導体素子１０、はんだ９、配線層４、絶縁層３、放熱板２のそれぞれの熱伝導率、厚さ、熱抵抗の値は表１に示すとおりである。半導体素子１０は１１×１１ｍｍの大きさを有し、はんだ９は共晶はんだ、配線層４はＡｌから形成されている。この場合、半導体素子１０の表面から放熱板２の裏面２ｂに至るまでの全熱抵抗は、０．１６３℃／Ｗであった。
【００２１】
【表１】
2007227598.tif 000003
【００２２】
表１には、平板状の放熱板の裏面にグリースを介してＡｌヒートシンクを接合した従来の構造の回路基板を用いた半導体装置の熱抵抗をシミュレートした結果も併せて示されている。放熱板の表面上には、実施の形態１と同様に、絶縁層、配線層、はんだ、半導体素子が順次形成されている。そして、これら絶縁層、配線層、はんだ、半導体素子は、いずれも実施の形態１で使用したものと同一のものである。ただし、放熱板としては、高圧鋳造法により形成されたＡｌ／ＳｉＣ複合材からなる平板状の放熱板が使用されている。この従来の構造の回路基板を用いた半導体装置では、半導体素子の表面からヒートシンクの裏面に至るまでの全熱抵抗は、０．３８９℃／Ｗであった。
【００２３】
放熱板の裏面にＡｌヒートシンクを接合するためのグリースが、低い熱伝導率を有しているため、グリースの塗布厚が０．０５０ｍｍという薄さでありながら高い熱抵抗を示すこととなり、半導体素子の表面からヒートシンクの裏面に至るまでの全熱抵抗が高い値を示している。
このように、実施の形態１に係る回路基板は、従来の構造の回路基板に比べて優れた放熱性を有することがわかる。
【００２４】
実施の形態２．
図３に、この発明の実施の形態２に係る回路基板１１を用いた半導体装置の構成を示す。図１に示した実施の形態１の回路基板１では、放熱板２の裏面２ｂに形成された複数のフィン２ｃがそれぞれ平板形状を有していたが、この実施の形態２に係る回路基板１１は、それぞれカバーケース５に向かうほど幅が細くなるようなテーパ状の断面形状を有する複数のフィン２ｅが放熱板２の裏面２ｂに形成されたものである。その他の構成は、実施の形態１の回路基板１と同様である。
このように、複数のフィン２ｅの断面形状をテーパ状とすることにより、放熱板２の鋳造時に型抜きしやすくなり、回路基板１１の製造が容易となる。
【００２５】
実施の形態３．
図４に、この発明の実施の形態３に係る回路基板２１を用いた半導体装置の構成を示す。この回路基板２１は、図１に示した実施の形態１の回路基板１において、絶縁層３の表面のうち、配線層４が形成されずに露出している部分に、シール層２２を形成したものである。このシール層２２によって、配線層４が形成されていない部分の絶縁層３の表面が覆われている。その他の構成は、実施の形態１の回路基板１と同様である。
【００２６】
シール層２２は、吸湿しない材質、例えばシリコーン系材料から形成されており、具体的には、信越化学工業のシリコーン溶液ＫＲ−２５１を使用することができる。
絶縁層３は、実施の形態１で述べたように、Ａｌ−Ｓｉ系の材料等をゾル原料としてゾルーゲル法で焼成形成すると、多孔質の構造を有するため、絶縁層３の表面が外部に露出していると、この絶縁層３から水分等が回路基板内に侵入するおそれがある。そこで、配線層４が形成されずに露出している絶縁層３の表面上にシール層２２を形成すれば、水分等の侵入を防止することができる。
【００２７】
なお、上記の実施の形態１では、放熱板２をＡｌ／ＳｉＣ複合材から真空鋳造法によりニアネットシェープ形成したが、高圧鋳造法によりニアネットシェープ形成すれば、より品質の優れた放熱板２が得られる。
放熱板２の裏面２ｂに形成されるフィン２ｃあるいは２ｅの本数、大きさ、形状は特に限定されるものではない。さらに、フィンに限らず、放熱板２の裏面２ｂの表面積を増大させることができる凹凸部が形成されていればよい。
また、冷媒通路６に流通される冷却媒体は、水に限るものではなく、空気その他の流体を用いることができる。
放熱板２とカバーケース５の接合部に防水部材としてゴムパッキン８を配設したが、防水部材は、防水性のある材料から形成されていればよく、例えば、アクリル系粘着テープ、シリコンゴム、フッ素ゴム等を用いることもできる。
絶縁層３をゾルーゲル法で焼成形成する際のゾル原料は、Ａｌ−Ｓｉ系の材料に限られるものではなく、例えばＳｉＯ２系の無機高分子を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る回路基板を用いた半導体装置を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る回路基板の製造方法を工程順に示す図である。
【図３】実施の形態２に係る回路基板を用いた半導体装置を示す断面図である。
【図４】実施の形態３に係る回路基板を用いた半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１，１１，２１  回路基板、２  放熱板、２ａ  表面、２ｂ  裏面、２ｃ，２ｅ  フィン、２ｄ，５ｂ  貫通孔、３  絶縁層、３ａ  表面、４  配線層、４ａ  表面、５  カバーケース、５ａ  凹部、６  冷媒通路、７  締結ボルト、８  ゴムパッキン、９  はんだ、１０  半導体素子、２２  シール層。
【図１】
2007227598.tif 000004
【図２】
2007227598.tif 000005
【図３】
2007227598.tif 000006
【図４】
2007227598.tif 000007