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散熱器及其制造方法.pdf

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散熱器 及其 制造 方法
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摘要
申請專利號:

CN201210107274.1

申請日:

2012.04.12

公開號:

CN102751249B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 專利權的轉移IPC(主分類):H01L 23/367登記生效日:20161202變更事項:專利權人變更前權利人:株式會社豐田自動織機變更后權利人:昭和電工株式會社變更事項:地址變更前權利人:日本愛知縣刈谷市變更后權利人:日本東京都變更事項:專利權人變更前權利人:昭和電工株式會社|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 23/367申請日:20120412|||公開
IPC分類號: H01L23/367; H01L21/48 主分類號: H01L23/367
申請人: 株式會社豐田自動織機; 昭和電工株式會社
發明人: 巖田佳孝; 森昌吾; 平野智哉; 南和彥
地址: 日本愛知縣刈谷市
優先權: 2011.04.18 JP 2011-092200; 2011.12.22 JP 2011-282072
專利代理機構: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227 代理人: 魏金霞;田軍鋒
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210107274.1

授權公告號:

|||102751249B||||||

法律狀態公告日:

2016.12.21|||2015.01.28|||2012.12.12|||2012.10.24

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

后金屬層(16,31)具有多個應力釋放空間(17)。每個應力釋放空間(17)形成為至少在后金屬層(16,31)的前表面和后表面的其中一個處敞開。將后金屬層(16,31)中的位于半導體裝置(12)正下方的區域限定為正下方區域(A1),并且將正下方區域(A1)外側的與正下方區域(A1)相對應并具有相同的尺寸的區域限定為對比區域(A21)。在正下方區域(A1)的范圍中的應力釋放空間(17)的體積小于形成在對比區域(A21)的范圍中的應力釋放空間(17)的體積。

權利要求書

1.一種散熱器,所述散熱器包括電路基片和散熱裝置,其中,
所述電路基片包括:
絕緣基片,所述絕緣基片形成為具有前表面和后表面;
前金屬層,所述前金屬層接合于所述絕緣基片的所述前表面,所述前
金屬層形成為具有能夠與半導體裝置接合的前表面和接合于所述絕緣基
片的后表面;以及
后金屬層,所述后金屬層接合于所述絕緣基片的所述后表面,所述后
金屬層形成為具有接合于所述絕緣基片的前表面和接合于所述散熱裝置
的后表面,
所述后金屬層具有多個應力釋放空間,每個應力釋放空間形成為至少
在所述后金屬層的所述前表面和所述后表面的其中一個處敞開,并且
當將所述后金屬層中的位于所述半導體裝置正下方的區域限定為正下
方區域、并且將所述正下方區域外側的與該正下方區域相對應并具有與該
正下方區域相同的尺寸的區域限定為對比區域時,在所述正下方區域的范
圍中的所述應力釋放空間的體積小于形成在所述對比區域的范圍中的所
述應力釋放空間的體積。
2.根據權利要求1所述的散熱器,其中,
在所述正下方區域的范圍中的所述應力釋放空間形成在所述正下方區
域的周邊部分中、而不形成在所述正下方區域的中央部分中,
在所述對比區域的范圍中的所述應力釋放空間形成在所述對比區域的
周邊部分和中央部分中,并且
使得在所述正下方區域的范圍中的所述應力釋放空間的體積小于形成
在所述對比區域的范圍中的所述應力釋放空間的體積。
3.根據權利要求2所述的散熱器,其中,
利用硬釬料將所述絕緣基片、所述后金屬層和所述散熱裝置接合在一
起,
在所述正下方區域的范圍中的所述應力釋放空間的至少一部分填充有
硬釬料,并且
使得在所述正下方區域的范圍中的所述應力釋放空間的體積小于形成
在所述對比區域的范圍中的所述應力釋放空間的體積。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的散熱器,其中,所述后金屬層
是應力釋放構件。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的散熱器,其中,所述后金屬層
包括:
第一后金屬層,所述第一后金屬層接合于所述散熱裝置;以及
第二后金屬層,所述第二后金屬層位于所述第一后金屬層與所述絕緣
基片之間并且接合于所述第一后金屬層和所述絕緣基片,
其中,所述應力釋放空間形成在所述第一后金屬層中。
6.一種用于制造具有電路基片和散熱裝置的散熱器的方法,其中,
所述電路基片包括:
絕緣基片,所述絕緣基片具有前表面和后表面;
前金屬層,所述前金屬層接合于所述絕緣基片的所述前表面,所述前
金屬層具有能夠與半導體裝置接合的前表面和接合于所述絕緣基片的后
表面;以及
后金屬層,所述后金屬層接合于所述絕緣基片的所述后表面,所述后
金屬層具有接合于所述絕緣基片的前表面和接合于所述散熱裝置的后表
面,
所述后金屬層具有多個應力釋放空間,
當將所述后金屬層中的位于所述半導體裝置正下方的區域限定為正下
方區域、并且將所述正下方區域外側的與該正下方區域相對應并具有與該
正下方區域相同的尺寸的區域限定為對比區域時,
所述制造方法包括:
準備硬釬料,其中,在所述正下方區域的范圍外側,所述硬釬料具有
與所述應力釋放空間相對應的空間,并且在所述正下方區域的范圍中,所
述硬釬料具有體積小于形成在所述對比區域中的空間的體積的另外的空
間;
將所述硬釬料布置在所述后金屬層的接合界面處;
將所述硬釬料加熱至高于熔化溫度的溫度以便熔化所述硬釬料;以及
將熔化的所述硬釬料冷卻至低于所述熔化溫度的溫度以便使所述硬釬
料凝固。
7.根據權利要求6所述的制造方法,其中,
準備所述硬釬料包括將所述硬釬料形成為使得:
所述硬釬料覆蓋所述正下方區域的范圍中的所述應力釋放空間的至少
其中一個的部分開口或整個開口,并且
所述硬釬料不覆蓋所述正下方區域的范圍外側的所述應力釋放空間的
開口。
8.一種包括半導體裝置、電路基片和散熱裝置的半導體設備,其中,
所述電路基片包括:
絕緣基片,所述絕緣基片形成為具有前表面和后表面;
前金屬層,所述前金屬層接合于所述絕緣基片的所述前表面,所述前
金屬層形成為具有與所述半導體裝置接合的前表面和接合于所述絕緣基
片的后表面;以及
后金屬層,所述后金屬層接合于所述絕緣基片的所述后表面,所述后
金屬層形成為具有接合于所述絕緣基片的前表面和接合于所述散熱裝置
的后表面,
當將所述后金屬層中的位于所述半導體裝置正下方的區域限定為正下
方區域、并且將所述正下方區域外側的與該正下方區域相對應并具有與該
正下方區域相同的尺寸的區域限定為對比區域時,
在所述后金屬層的所述正下方區域的范圍中,在所述正下方區域的周
邊部分中形成應力釋放空間,并且
在所述正下方區域的外側并在所述后金屬層上,在從所述正下方區域
的外周邊邊緣至所述后金屬層的周邊邊緣的范圍中形成其它的應力釋放
空間。
9.根據權利要求8所述的半導體設備,其中,所述應力釋放空間是通
孔,所述通孔在所述絕緣基片和所述后金屬層的層壓方向上延伸穿過所述
后金屬層。

說明書

散熱器及其制造方法

技術領域

本公開涉及具有電路基片和散熱裝置的散熱器。本公開還涉及用于制
造該散熱器的方法。

背景技術

傳統上已知的半導體設備具有:陶瓷基片,該陶瓷基片是絕緣基片;
前金屬板,該前金屬板接合于陶瓷基片的前表面并用作布線層;以及后
金屬板,該后金屬板接合于陶瓷基片的后部。散熱裝置接合于后金屬板,
該散熱裝置發散由半導體裝置產生的熱。在半導體設備的操作期間由半
導體裝置產生的熱通過散熱裝置發散。期望散熱裝置的散熱性能保持較
長的時間段。然而,根據半導體設備的使用條件,由于熱應力——其由
絕緣基片和散熱裝置之間的線性膨脹系數的差別所導致,因此在陶瓷基
片與后金屬板之間的接合部分處可能形成裂紋。而且,裂紋的延伸可能
導致后金屬板使陶瓷基片剝離,這樣可能降低散熱性能。

在這點上,例如,日本早期公開專利公報No.2006-294699公開了一
種具有應力釋放構件的半導體設備,該應力釋放構件位于后金屬板與散
熱裝置之間。根據該文獻,使用鋁板作為應力釋放構件,在該應力釋放
構件中形成在厚度的方向上延伸的多個通孔。當半導體設備操作時,該
結構釋放熱應力。

在該文獻中公開的半導體設備中,由于在鋁板中形成的通孔,因此
在后金屬板與散熱裝置之間形成空氣層。由于空氣與鋁相比具有較低的
導熱性,因此由半導體裝置產生的熱在繞過鋁板的形成有通孔的部分之
后到達散熱裝置。即,通孔阻礙由半導體裝置產生的熱的擴散。換言之,
該結構阻礙熱傳送至散熱裝置,并且降低了冷卻效率。

因此,本公開的目的是提供如下散熱器,即:在釋放半導體設備于
操作期間產生的熱應力的同時促進由半導體裝置產生的熱的擴散。本公
開還提供用于制造該散熱器的方法。

發明內容

根據本公開的一個方面,提供包括電路基片和散熱裝置的散熱器。
電路基片包括:絕緣基片,該絕緣基片形成為具有前表面和后表面;前
金屬層,該前金屬層接合于絕緣基片的前表面,該前金屬層形成為具有
能夠與半導體裝置接合的前表面和接合于絕緣基片的后表面;以及,后
金屬層,該后金屬層接合于絕緣基片的后表面,該后金屬層形成為具有
接合于絕緣基片的前表面和接合于散熱裝置的后表面。后金屬層具有多
個應力釋放空間。每個應力釋放空間形成為至少在后金屬層的前表面和
后表面的其中一個處敞開。當將后金屬層中的位于半導體裝置正下方的
區域限定為正下方區域、并且將該正下方區域外側的與正下方區域相對
應并具有相同的尺寸的區域限定為對比區域時,在正下方區域的范圍中
的應力釋放空間的體積小于形成在對比區域的范圍中的應力釋放空間
的體積。

根據該構造,由于形成在后金屬層中的應力釋放空間而因此釋放熱
應力。而且,與對比區域的導熱性相比,在后金屬層中的正下方區域的
范圍的導熱性得到改善。因此,由半導體裝置產生的熱容易地傳遞至半
導體裝置正下方的區域,并且不會阻礙熱擴散。散熱器能夠將由半導體
裝置產生的熱可靠地傳遞至散熱裝置。因此,散熱器實現了在產生大量
熱的半導體裝置的正下方區域中的熱應力的吸收與散熱性能的改善之
間的平衡。

根據一個方面,在正下方區域的范圍中的應力釋放空間形成在正下
方區域的周邊部分中、而不形成在正下方區域的中央部分中。在對比區
域的范圍中的應力釋放空間形成在對比區域的周邊部分和中央部分中。
因此,在正下方區域的范圍中的應力釋放空間的體積小于形成在對比區
域的范圍中的應力釋放空間的體積。

根據該構造,應力釋放空間形成在后金屬層的正下方區域的范圍中
的周邊部分中。應力釋放空間不形成在正下方區域的中央部分中,該正
下方區域的中央部分是正下方區域的周邊部分的內側的區域。因此,在
后金屬層中的正下方區域的中央部分是后金屬層中的實心體。即,半導
體裝置的中央部分和散熱裝置在沿層壓方向其間不存在應力釋放空間
的情況下彼此接合。在半導體裝置中,熱主要集中在其中央部分中。因
此,由半導體裝置產生的熱最大量地傳遞至其中央部分的正下方部分。
根據上述構造,由于應力釋放空間未形成在半導體裝置的正下方部分
中,因此不會阻礙傳遞至半導體裝置的正下方部分的熱的擴散,這樣允
許將熱有效地傳遞至散熱裝置。即,散熱器實現了在產生大量熱的半導
體裝置的正下方區域中的熱應力的吸收與散熱性能的改善之間的平衡。

根據一個方面,利用硬釬料將絕緣基片、后金屬層和散熱裝置接合
在一起。在正下方區域的范圍中的應力釋放空間的至少一部分填充有硬
釬料。因此,在正下方區域的范圍中的應力釋放空間的體積小于形成在
對比區域的范圍中的應力釋放空間的體積。

根據該構造,當將后金屬層接合于絕緣基片或散熱裝置時,調節流
到應力釋放空間中的硬釬料。與在對比區域中的應力釋放空間的體積相
比,這樣降低了在正下方區域的范圍中的應力釋放空間的體積。

根據一個方面,后金屬層是應力釋放構件。

根據該構造,使電路基片和散熱裝置彼此接合的接合層起到應力釋
放構件的作用。即,結合層也用作應力釋放構件。因此,例如,不需要
分別地形成應力釋放構件和接合層。這樣減少了部件的數量。

根據一個方面,后金屬層包括:第一后金屬層,其接合于散熱裝置;
和第二后金屬層,其位于第一后金屬層與絕緣基片之間并且接合于第一
后金屬層和絕緣基片。應力釋放空間形成在第一后金屬層中。

根據該構造,應力釋放空間不形成在第二后金屬層中。由半導體裝
置產生的熱經由第二后金屬層傳遞至第一后金屬層。由于應力釋放空間
不形成在第二后金屬層中,因此不阻礙傳遞至第二后金屬層的熱的擴
散,并且傳遞至第二后金屬層的熱被有效地傳遞至第一后金屬層。因此,
散熱器能夠有效地將熱傳遞至散熱裝置。

根據本公開的另一方面,提供用于制造具有電路基片和散熱裝置的
散熱器的方法。電路基片包括:絕緣基片,該絕緣基片具有前表面和后
表面;前金屬層,該前金屬層接合于絕緣基片的前表面,該前金屬層具
有能夠與半導體裝置接合的前表面和接合于絕緣基片的后表面;以及,
后金屬層,該后金屬層接合于絕緣基片的后表面,該后金屬層具有接合
于絕緣基片的前表面和接合于散熱裝置的后表面。后金屬層具有多個應
力釋放空間。當將后金屬層中的位于半導體裝置正下方的區域限定為正
下方區域時,將該正下方區域外側的與正下方區域相對應并具有相同的
尺寸的區域限定為對比區域。該制造方法包括:準備硬釬料,其中,在
正下方區域的范圍外側,硬釬料具有與應力釋放空間相對應的空間,并
且在正下方區域的范圍中,硬釬料具有體積小于形成在對比區域中的空
間的體積的另外的空間;將硬釬料布置在后金屬層的接合界面處;將硬
釬料加熱至高于熔化溫度的溫度以便熔化硬釬料;以及,將熔化的硬釬
料冷卻至低于熔化溫度的溫度以便使硬釬料凝固。

根據該方法,形成在后金屬層的正下方區域的范圍中的通孔填充有
硬釬料。與對比區域的導熱性相比,在后金屬層中的正下方區域的范圍
的導熱性得到改善。因此,由半導體裝置產生的熱容易地傳遞至位于半
導體裝置的正下方區域,并且不會阻礙熱擴散。散熱器能夠將由半導體
裝置產生的熱可靠地傳遞至散熱裝置。因此,實現了在產生大量熱的半
導體裝置的正下方區域中的熱應力的吸收與散熱性能的改善之間的平
衡。

根據一個方面,準備硬釬料包括將硬釬料形成為使得硬釬料覆蓋在
正下方區域的范圍中的應力釋放空間的至少其中一個的部分開口或整
個開口,并且使得硬釬料不覆蓋在正下方區域的范圍外側的應力釋放空
間的開口。

根據該方法,熔化的硬釬料容易地進入如下應力釋放空間,即:該
應力釋放空間具有由未熔化的硬釬料覆蓋的開口。而且,熔化的硬釬料
不會進入如下應力釋放空間,即:該應力釋放空間具有未被未熔化的硬
釬料所覆蓋的開口。因此,在正下方區域的范圍中的通孔容易地填充有
大量的硬釬料。

從下面的描述并結合通過本發明的原理的示例所圖示的附圖,本發
明的其它方面和優點將變得顯而易見。

附圖說明

在所附權利要求中特別地闡述了本發明的被認為新穎的特征。參照
當前優選實施方式的下面的描述連同附圖,可以更好地理解本發明及其
目的和優點,在附圖中:

圖1是沿圖2的線A-A截取的豎向截面圖,其中圖示了半導體模塊,
該半導體模塊是根據第一實施方式的半導體設備;

圖2是示出圖1所示的后金屬板和半導體裝置之間的關系的平面
圖;

圖3是圖示出根據第二實施方式的半導體模塊的豎向截面圖;

圖4是示出硬釬料和圖3所示的后金屬板之間的關系的平面圖;

圖5是用于制造圖3所示的半導體模塊的過程的說明性圖示;

圖6是圖示出根據改進的實施方式的半導體模塊的豎向截面圖;以

圖7(a)至7(d)是分別示出根據改進的實施方式的半導體模塊
的局部放大截面圖。

具體實施方式

現將參照圖1和2描述本公開的第一實施方式。

如圖1所示,半導體設備——在該實施方式中為半導體模塊10——
由電路基片11和利用焊料接合到電路基片11上的散熱裝置13形成。
散熱裝置13在與半導體裝置12相反的一側上接合至電路基片11。在本
實施方式中,將如在圖1所觀察到的每個部件的上表面限定為前表面,
并且將下表面限定為后表面。電路基片11包括陶瓷基片14、利用硬釬
料接合于陶瓷基片14的前表面的前金屬板15、利用硬釬料接合于陶瓷
基片14的后表面的后金屬板16。即,前金屬板15的后表面接合于陶瓷
基片14的前表面。后金屬板16的前表面接合于陶瓷基片14的后表面。
前金屬板15是允許半導體裝置12接合于陶瓷基片14的前表面的金屬
電路板。

即,陶瓷基片14的前表面是安裝表面,半導體裝置12安裝于該安
裝表面上。起到布線層作用的前金屬板15接合于半導體裝置12的安裝
表面。半導體裝置12經由焊料層H接合于前金屬板15。作為半導體裝
置12,例如使用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)或二極管。

另一方面,后金屬板16起到接合層的作用,該接合層使陶瓷基片
14和散熱裝置13彼此接合。

陶瓷基片14是例如由氮化鋁、氧化鋁或氮化硅形成的絕緣基片。
前金屬板15和后金屬板16由純鋁或銅形成。線性地延伸的制冷劑通道
13a限定在散熱裝置13中。在本實施方式中,電路基片11和散熱裝置
13形成散熱器1。利用焊料將半導體裝置12接合于散熱器1,從而使得
散熱器1和半導體裝置12形成半導體模塊10。

現將描述后金屬板16。如圖2所示,在后金屬板16中形成通孔17。
每個通孔17起到應力釋放空間的作用。每個通孔17在后金屬板16的
厚度的方向上——即,在陶瓷基片14和后金屬板16層壓的方向上——
延伸。即,通孔17在后金屬板16的前表面和后表面上分別具有開口。
由于通孔17基本上具有相同的大小,因此應力釋放空間具有相同的體
積。

現將描述通孔17。由圖2中的長劃線與兩個短劃線交替形成的線所
包圍的矩形區域是正下方區域A1,該正下方區域A1是后金屬板16上
的與半導體裝置12相對應的區域。正下方區域A1的周邊邊緣A11位
于半導體裝置12的周邊邊緣12a的正下方。在正下方區域A1的外側,
從正下方區域A1的外周邊邊緣A11至后金屬板16的周邊邊緣16a等
間隔地——即,以網格狀的形式——布置通孔17。

另一方面,在正下方區域A1內,通孔17位于正下方區域A1的周
邊邊緣A11的附近。通孔17布置成使得:在形成于靠近正下方區域A1
中的周邊邊緣A11的位置處的每個通孔17與形成于正下方區域A1外
側的相鄰的其中一個通孔17之間的距離是恒定的。

將后金屬板16上的位于形成在正下方區域A1中的通孔17內側的
區域限定為內側區域A2。在內側區域A2中不形成通孔17。在后金屬
板16上,內側區域A2位于半導體裝置12正下方的區域A1的范圍內。
由于在內側區域A2中不形成通孔17,因此在半導體裝置12和散熱裝
置13之間的接合部的區域相對較大。

圖2示出了與正下方區域A1相對比的對比區域A21。對比區域A21
位于后金屬板16上并位于正下方區域A1的外側。對比區域A21與正
下方區域A1具有相同的尺寸,以便與正下方區域A1相對應。在后金
屬板16的正下方區域A1中的通孔17的數量——其為四個——小于在
對比區域A21中的通孔17的數量——其為六個。即,在正下方區域A1
中的通孔17的量小于形成在正下方區域A1外側的與正下方區域A1具
有相同的尺寸并相對應的區域范圍中的通孔17的量。由于通孔17的大
小相同,因此在正下方區域A1中的通孔17的總體積小于形成在對比區
域A21的范圍中的通孔17的總體積。因此,在正下方區域A1中的后
金屬板16的傳熱面積增加。即,當半導體裝置12發熱時,改善了半導
體模塊10至散熱裝置13的導熱性。

根據本實施方式,正下方區域A1分成:形成區域A3,該形成區域
A3是后金屬板16的準許形成通孔17的區域;和非形成區域A4,該形
成區域A4是后金屬板16的不準許形成通孔17的區域。即,形成區域
A3是正下方區域A1的周邊部分。非形成區域A4位于形成區域A3的
內側。

下文中,將描述形成區域A3和非形成區域A4。

如圖2所示,在矩形半導體裝置12的平面圖中,將半導體裝置12
的安裝表面的四個邊中的一個和相對的邊限定為第一邊12b。將垂直于
第一邊12b的兩個邊限定為第二邊12c。在本實施方式中,在第一邊12b
的任一端部處,允許通孔17形成的形成區域A3占據第一邊12b的尺寸
的25%至35%、優選地30%。而且在第二邊12c的任一端部處,形成
區域A3占據第二邊12c的尺寸Y的25%至35%、優選地30%。換言
之,形成區域A3占據從半導體裝置12的其中一個第一邊12b朝向半導
體裝置12的另一個第一邊12b的第二邊12c的尺寸Y的25%至35%、
優選地30%。形成區域A3還占據從其中一個第二邊12c朝向另一個第
二邊12c的第一邊12b的尺寸X的25%至35%、優選地30%。換言之,
形成區域A3是正下方區域A1的周邊部分,即,從周邊邊緣A11向內
延伸并且占據預定范圍的面積。

不允許形成通孔17的非形成區域A4是在形成區域A3內側的區域
(正下方區域A1的周邊部分的內側)。非形成區域A4位于半導體裝置
12的中央部分12d的正下方。相應地,非形成區域A4位于正下方區域
A1的中央部分中。位于正下方區域A1的范圍內的通孔17位于形成區
域A3中,即,在正下方區域A1的周邊部分中。在非形成區域A4中不
形成通孔17。另一方面,位于對比區域A21中的通孔17位于對比區域
A21的中央部分和周邊部分中。

在正下方區域A1中,形成通孔17的位置可改變至非形成區域A4
外側的任何位置。通過改變正下方區域A1中的通孔17的位置,改變內
側區域A2的范圍。即使當改變內側區域A2的范圍,通孔17也不形成
在非形成區域A4中。因此,非形成區域A4包含在內側區域A2的范圍
中。

本實施方式的通孔17不形成在非形成區域A4中。因此,通孔17
形成在形成區域A3中。在正下方區域A1中形成通孔17的位置不必限
制于形成區域A3的范圍,而是可以形成在形成區域A3的外側。通孔
17可形成在正下方區域A1的周邊邊緣A11的附近。

非形成區域A4形成在半導體12的中央部分12d的正下方的位置
處。因此,半導體裝置12的中央部分12d與散熱裝置13在它們之間不
存在通孔17的情況下接合。

由于半導體裝置12的中央部分12d與散熱裝置13在它們之間不存
在通孔17的情況下接合,因此不會阻礙從半導體裝置12傳遞至中央部
分12d的正下方部分的熱的分散。當半導體模塊10操作時,熱大部分
集中在半導體裝置12的中央部分12d中。不易阻礙傳遞至半導體裝置
12的中央部分12d的正下方部分的熱的分散的事實意味著改善了半導
體模塊10的導熱性。

現將描述半導體模塊10的操作。

例如,將具有上述結構的半導體模塊10應用于混合動力汽車——
其具有作為驅動源的一部分的電動馬達。半導體模塊10根據車輛的驅
動條件控制供應至電動馬達的電力。當半導體模塊10操作時,半導體
裝置12產生熱。由半導體裝置12產生的熱從半導體裝置12的接合表
面朝向電路基片11放射狀擴散。由半導體裝置12產生的熱依次傳遞至
前金屬板15、陶瓷基片14、后金屬板16和散熱裝置13。

由半導體裝置12產生的熱集中在半導體裝置12的中央部分12d上。
相應地,半導體裝置12的中央部分12d是熱集中部分。換言之,由半
導體裝置12產生的熱最大量地傳遞至中央部分12d的正下方部分。

半導體裝置12的中央部分12d與散熱裝置13在它們之間不存在通
孔17的情況下接合。因此,傳遞至半導體裝置12的中央部分12d的正
下方部分的熱擴散在不被通孔17阻礙的情況下傳遞至散熱裝置13。

另一方面,在由半導體裝置12產生的熱中,除了直接傳遞至中央
部分12d的正下方部分的熱之外的熱在繞過通孔17之后到達散熱裝置
13。與傳遞至半導體裝置12的中央部分12d的正下方部分的熱相比,
傳遞至除了半導體裝置12的中央部分12d的正下方部分之外的部分的
熱在到達散熱裝置13之前行進較長的距離。因此,傳遞至除了半導體
裝置12的中央部分12d的正下方部分之外的部分的熱在到達散熱裝置
13之前被冷卻并且不太可能成為產生熱應力的原因。因此,在本實施方
式中,例如與通孔17還形成在位于半導體裝置12的中央部分12d的正
下方的非形成區域A4中的情況相比,實現了在產生大量熱的正下方區
域A1處的散熱性能的改善與熱應力的吸收之間的平衡。

后金屬板16釋放與由半導體裝置12產生的熱相伴隨的熱應力。因
此,防止在陶瓷基片14與后金屬板16之間的接合部分中形成裂紋。而
且,防止散熱裝置13翹曲。

上述實施方式具有如下優點。

(1)形成在后金屬板16中的通孔17釋放熱應力。由于后金屬板
16具有非形成區域A4,因此增加了在后金屬板16上的正下方區域A1
中的傳熱面積。例如,與對比區域A21的導熱性相比,改善了在后金屬
板16的正下方區域A1的范圍中的導熱性。即,與位于后金屬板16上
的正下方區域A1外側的與正下方區域A1相對應并具有相同的尺寸的
區域的導熱性相比,改善了正下方區域A1的導熱性。因此,由半導體
裝置12產生的熱易于傳遞至半導體裝置12的正下方的區域,并且不會
阻礙熱擴散。因此,由半導體裝置12產生的熱可靠地傳遞散熱裝置13。
實現了在產生大量熱的半導體裝置12的正下方區域中的散熱性能的改
善與熱應力的吸收之間的平衡。

(2)在后金屬板16的正下方區域A1的內側區域A2中不形成通孔
17。因此,內側區域A2起到將散熱裝置13接合于陶瓷基片14的接合
層的作用。半導體裝置12的中央部分12d與散熱裝置13在它們之間不
存在通孔17的情況下接合。因此,不太可能阻礙傳遞至半導體裝置12
的中央部分12d的正下方部分的熱的擴散。由于不會阻礙傳遞至半導體
裝置12的中央部分12d的正下方部分的熱的擴散,因此本實施方式允
許由半導體裝置12產生的熱被有效地發散。換言之,實現了在產生大
量熱的半導體裝置12的正下方區域中的散熱性能的改進與熱應力的吸
收之間的平衡。

(3)在半導體裝置12的正下方區域A1的形成區域A3中形成有通
孔17。因此,當半導體裝置12操作時,后金屬板16有效地釋放應力。
因此,易于防止在陶瓷基片14與后金屬板16之間的接合部分中形成裂
紋并且防止散熱裝置13翹曲。

而且,后金屬板16的應力釋放空間由通孔17形成,該通孔17在
陶瓷基片14和后金屬板16的層壓方向上延伸穿過后金屬板16。后金屬
板16因此易于變形。即,由后金屬板16容易地吸收在半導體模塊10
操作時產生的熱應力。

(4)后金屬板16不僅起到使陶瓷基片14和散熱裝置13彼此接合
的接合層的作用,而且起到應力釋放構件的作用。因此,根據本實施方
式,接合層和應力釋放構件無需作為分開的構件提供。這樣減少了部件
的數量。

(5)例如,與后金屬板16和應力釋放構件作為分開的構件來提供
的情況相比,本實施方式增加了應力釋放構件的體積。即,改善了應力
釋放性能。

現將參照圖3至5描述本公開的第二實施方式。

在下面描述的實施方式中,與上述實施方式的相應部件相似或相同
的部件被給予相似或相同的附圖標記,并且省略或者簡化詳細的說明。

如圖3所示,半導體設備——在該實施方式中為半導體模塊30——
具有后金屬板31,該后金屬板31具有接合部分32。例如,接合部分32
是通過利用硬釬料填充形成在非形成區域A4中的通孔17而形成。接合
部分32位于形成在半導體裝置12的正下方區域A1的周邊部分中的多
個通孔17中的相鄰成對的通孔之間。例如,接合部分32由純鋁或銅的
硬釬料形成。接合部分32與后金屬板31結合為一體。因此,接合部分
32起到將陶瓷基片14接合于散熱裝置13的一部分接合層的作用。

換言之,在本實施方式中,在以恒定的間隔形成有通孔17的后金
屬板中,與位于非形成區域A4的范圍外側的通孔17相比,更大量的硬
釬料填充位于非形成區域A4的范圍中的通孔17。相應地,增加了非形
成區域A4中的傳熱面積。

在本實施方式中,電路基片11和散熱裝置13形成散熱器2。電路
基片11包括陶瓷基片14、前金屬板15和后金屬板31。散熱器2和半
導體裝置12形成半導體模塊30。

填充在后金屬板31的正下方區域A1的范圍中的通孔17的硬釬料
的量大于流到在對比區域A21中的通孔17中的硬釬料的量。換言之,
填充在正下方區域A1中的通孔17的硬釬料的量大于填充形成在正下方
區域A1外側的與正下方區域A1具有相同的尺寸并相對應的區域的范
圍中的通孔17的硬釬料的量。

接下來,將描述釬焊過程,其作為本實施方式的散熱器2的制造方
法中的一個步驟。即,將描述用于釬焊陶瓷基片14、后金屬板31和散
熱裝置13的方法。在本實施方式中,使用以恒定的間隔形成有通孔17
的后金屬板31。即,在本實施方式中使用的后金屬板31的非形成區域
A4的范圍中也形成有通孔17。

如圖5所示,準備兩個硬釬料33的板。類似于形成在第一實施方
式中的后金屬板16中的通孔17,起到空間作用的孔34形成在硬釬料
33的板中。特別是,在硬釬料33的板中,形成多個孔34以對應于在后
金屬板31中的位于正下方區域A1外側的通孔17。另一方面,在硬釬
料33的板的正下方區域A1的范圍中,形成孔34以對應于形成在正下
方區域A1的外邊緣A11附近的通孔。在硬釬料33的板的內側區域A2
中不形成孔34。即,在內側區域A2中不形成孔34,內側區域A2位于
形成在硬釬料33的板的正下方區域A1中的孔34的內側。因此,在正
下方區域A1的外側,形成孔34以對應于通孔17。在硬釬料33中,在
正下方區域A1的范圍中的孔34的總體積小于形成在對比區域A21中
的孔34的總體積。對比區域A21位于正下方區域A1的外側并且與正
下方區域A1具有相同的尺寸以對應于正下方區域A1。換言之,正下方
區域A1的硬釬料的量大于對比區域A21的硬釬料33的量。即,正下
方區域A1的硬釬料33的量大于對比區域A21的硬釬料33的量,對比
區域A21位于正下方區域A1的外側并且與正下方區域A1具有相同的
尺寸以便對應于正下方區域A1。

如圖5所示,硬釬料33的第一板位于陶瓷基片14與后金屬板31
之間。硬釬料的第二板位于后金屬板31與散熱裝置13之間。以這種方
式,陶瓷基片14、硬釬料33的板、后金屬板31、硬釬料33的板和散
熱裝置13以該順序層壓。因此,硬釬料33位于后金屬板31的接合界
面處。在本實施方式中,后金屬板31的接合界面包括后金屬板31的前
表面和后表面。在后金屬板31中,在非形成區域A4的范圍的外側,硬
釬料33的板定位成使得通孔17與硬釬料33的板的孔34匹配。如圖4
所示,在非形成區域A4中,硬釬料33布置成使得通孔17與硬釬料33
的孔34不匹配。因此,在正下方區域A1的范圍中,形成在非形成區域
A4中的通孔17的全部開口由硬釬料33覆蓋。另一方面,在正下方區
域A1的外側,通孔17的開口不由硬釬料33覆蓋。

如上所述,在如圖5所示的布置兩個硬釬料33的板的情況下,硬
釬料33由例如回流熔爐的加熱設備加熱至高于熔化溫度的溫度并且熔
化。熔化的硬釬料33流到非形成區域A4中的通孔17中。另一方面,
熔化的硬釬料33不流到在除了非形成區域A4之外的范圍中的通孔17
中。即使熔化的硬釬料33流到非形成區域A4外側的通孔17中,該硬
釬料33的量與流到非形成區域A4中的通孔17中的硬釬料33的量相比
也非常小。因此,填充非形成區域A4中的通孔17的熔化的硬釬料的量
大于填充正下方區域A1中的其它通孔17的硬釬料的量。熔化的硬釬料
33冷卻至低于熔化溫度的溫度并且凝固,從而生成圖3所示的散熱器2。
在正下方區域A1的范圍中,填充非形成區域A4中的通孔17的硬釬料
的量大于填充形成區域A3中的通孔17的硬釬料的量。在生成散熱器2
之后,將半導體裝置12焊接至散熱器2以生成半導體模塊30。

除了第一實施方式的優點(1)至(5)之外,本實施方式提供了如
下優點。

(6)形成硬釬料33的板使得:當在制造過程期間硬釬料33熔化
時,大量的硬釬料33流到后金屬板31的非形成區域A4中的通孔17
中。因此,當已經流到通孔17中的硬釬料33凝固時,在正下方區域
A1中的通孔17的體積小于在對比區域A21中的通孔17的體積。即,
根據本實施方式,在使用以恒定的間隔形成通孔17的后金屬板31的同
時,增加了正下方區域A1中的傳熱面積。與在正下方區域A1的范圍
外側的對比區域A21的導熱性相比,改善了在正下方區域A1的范圍中
的后金屬板31的熱導性。因此,根據本實施方式,可以將由半導體裝
置12產生的熱可靠地傳遞至散熱裝置13。本實施方式因此改善了在熱
應力的吸收與產生大量熱的正下方區域中的散熱性能的改善之間的平
衡。

(7)在制造過程中使用的硬釬料33形成為使得:在正下方區域A1
中,填充非形成區域A4中的通孔17的硬釬料33的量大于填充形成區
域A3中的通孔17的硬釬料33的量。當硬釬料33熔化以流到通孔17
或應力釋放空間中時調節硬釬料33。因此,正下方區域A1中的通孔17
的體積小于對比區域A21中的通孔17的體積。

(8)在硬釬料33熔化之前,在正下方區域A1的非形成區域A4
中的通孔17的開口全部由硬釬料33覆蓋。另一方面,在正下方區域
A1的外側,通孔17的開口不由硬釬料33覆蓋。因此,熔化的硬釬料
33容易地流到非形成區域A4中的通孔17中。

上面說明的實施方式可進行如下改型。

在第一實施方式和第二實施方式中,通孔17可布置成使得在形成
于靠近正下方區域A1的周邊邊緣A11的位置處的每個通孔17與形成
于正下方區域A1外側的通孔17中的相鄰一個之間的距離不同。

在第一實施方式和第二實施方式中,通孔17可由在后金屬板16、
31的厚度方向上開口的凹入部代替。即,通孔17可由孔代替,每個所
述孔在后金屬板16、31的前表面或者后表面上具有開口的端部,并且
在另一個上具有封閉的端部。即使在這種情況下,也能夠釋放在半導體
模塊10操作時的熱應力。

如圖6所示,可以通過層壓第一后金屬板21和第二后金屬板22形
成后金屬層。例如,將第一后金屬層——其為第一后金屬板21——層壓
在散熱裝置13上。將第二后金屬層——其為第二后金屬板22——層壓
在第一后金屬板21上。將陶瓷基片14層壓在第二后金屬板22上。第
一后金屬板21的后表面接合于散熱裝置13的前表面。第二后金屬板22
位于第一后金屬板21的前表面和陶瓷基片14的后表面之間并且與之接
合。

例如,用作應力釋放空間的通孔17形成在第一后金屬板21中。在
第二后金屬板22中不形成通孔17。由于在第二后金屬板22中不形成通
孔17,因此由半導體裝置12產生的熱的擴散不會受到阻礙,并且有效
地傳遞至第一后金屬板21。該熱被有效地傳遞至散熱裝置13。

在第一實施方式和第二實施方式中,多個半導體裝置12可接合于
前金屬板15,該前金屬板15是布線層。在這種情況下,通孔17形成在
位于半導體裝置12正下方的后金屬板16、31的區域A1的周邊部分中,
即,在形成區域A3中。

在第一實施方式和第二實施方式中,通孔17的形狀可以如圖2所
示為圓形并且還可以改變成橢圓形或矩形。即,只要通孔17起到應力
釋放空間的作用即可,通孔17可采用任何形狀。

在第一實施方式中,在正下方區域A1中的應力釋放空間的總體積
可改變,只要其不超過在對比區域A21中的應力釋放空間的體積即可。
例如,在正下方區域A1的范圍中的通孔17的直徑可以小于在正下方區
域A1的范圍外側的通孔17的直徑。可替代地,在正下方區域A1中的
應力釋放空間可由凹入部形成,而在正下方區域A1外側的應力釋放空
間可由通孔形成。

在第一實施方式和第二實施方式中,可減少或者增加非形成區域A4
外側的通孔17的數量。

在第一實施方式和第二實施方式中,在后金屬板16、31的正下方
區域A1中形成的應力釋放空間的總體積可以是零。即,在正下方區域
A1中不形成應力釋放空間。

在第二實施方式中,在非形成區域A4中的通孔17不必完全地填充
硬釬料33。例如,可以采用圖7(a)至7(d)所示的結構,在該結構
中,在非形成區域A4中的應力釋放空間的體積小于在其它區域中的應
力釋放空間的體積。在圖7(a)中,硬釬料33填充通孔17中的靠近陶
瓷基片14的部分和靠近散熱裝置13的部分。通孔17的在厚度方向上
的中央部分是空的,其不填充硬釬料。

在圖7(b)中,硬釬料33僅填充通孔17的徑向外部部分。換言之,
硬釬料存在于通孔17的周向壁上,但是不存在于軸線處。

在圖7(c)中,硬釬料33僅填充通孔17的在軸向方向上的大致中
央部分。即,在通孔17中的靠近陶瓷基片14的部分和靠近散熱裝置13
的部分不填充硬釬料。

在圖7(d)中,通孔17填充硬釬料33使得在通孔17中的靠近陶
瓷基片14的部分中形成有凹入部。靠近散熱裝置13的部分封閉。

在第二實施方式中,位于后金屬板31與陶瓷基片14之間的硬釬料
33和位于后金屬板31與散熱裝置13之間的硬釬料33中的一個可具有
不同于第二實施方式的結構。

在第一實施方式中,陶瓷基片14、后金屬板16和散熱裝置13可通
過具有對應于后金屬板16中的通孔17的空間的硬釬料或者不具有空間
的硬釬料彼此接合。

在第一實施方式和第二實施方式中,半導體裝置12可通過硬釬料
接合于電路基片11。

在第二實施方式中,陶瓷基片14、前金屬板15、后金屬板31、散
熱裝置13和半導體裝置12可同時進行釬焊。

在第二實施方式中,利用硬釬料33覆蓋在非形成區域A4的范圍中
的通孔17的至少其中一個的開口是足夠的。

在第二實施方式中,利用硬釬料33僅覆蓋每個通孔17的開口的一
部分是足夠的。

在第二實施方式中,僅填充正下方區域A1中的每個通孔17的一部
分是足夠的。只要滿足該條件,可以改變由硬釬料填充的通孔17的數
量。

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