JP2019508250A - 熱拡散板の製造方法、熱拡散板、半導体モジュールの製造方法及び半導体モジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、回路担体（８０）の熱拡散板（１０）を製造する方法において、第１の膨張係数を有する第１の材料（Ｍ１）で作られている少なくとも一つの第１の層（２０）及び第１の膨張係数より小さい第２の膨張係数を有する低伸縮である第２の材料（Ｍ２）で作られている少なくとも一つの第２の層（３０）を、特に、低温焼結工程によって１５０℃と３００℃の間の接合温度で互いに接合し、接合材（ＶＭ）で作られている少なくとも一つの第１の接合層（４０）を、第１の層（２０）と第２の層（３０）との間に形成し、接合温度は、製造した熱拡散板（１０）を少なくとも一つの回路担体（８０）に接続する間の実装温度と略一致することを特徴とする方法に関する。【選択図】図３ｂ

Description

本発明は、回路担体の熱拡散板の製造方法に関する。また、本発明は、熱拡散板に関する。さらに、本発明は、半導体モジュールの製造方法及び半導体モジュールに関する。

パワーエレクトロニクス上部構造の導体トラック及び熱拡散板は、通常、銅によって構成されている。銅は、良好な導電特性及び熱伝導特性を有する。さらに、これは、非常に廉価な材料である。銀は、更に良好な導電特性及び熱伝導特性を有するが、銅より数倍値段が高くなる。導体トラックに対して要求される０．２〜２．０ｍｍの厚さ及び熱拡散板に対して要求される１．５〜５ｍｍの厚さを実現するために銀を用いることは、受け入れ難いほど値段が高くなる。電力半導体は、典型的には、ケイ素、炭化ケイ素又は窒化ガリウムによって構成される。電力半導体の材料及びセラミック回路担体の材料は、銅より明らかに小さい熱膨張係数を示す。銅は、１７．８ｐｐｍ／Ｋの膨張係数を有し、それに対し、典型的なセラミック回路担体は、２．５〜７．１ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を有する。

低伸縮金属を含む銅合金及び銅めっきは、銅導体トラック及び銅熱拡散板の熱膨張を減少させるために既に用いられている。例えば、銅タングステン合金（ＣｕＷ）及び銅モリブデン合金（ＣｕＭｏ）が存在する。Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕめっきも知られている。結果的に得られる熱膨張係数は、８ｐｐｍ／Ｋと１２ｐｐｍ／Ｋの間となる。

技術的な観点からすれば、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金及びＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕ合金は製造が困難であるとともに非常に費用がかかる。特に、銅とタングステン（Ｗ）及びモリブデン（Ｍｏ）の合金成分の間の大きな融点の差の観点からすれば、合金の製造は、良い合金を取得するまで著しく広範囲の方法の工程を必要とする。さらに、純粋な銅の熱伝導率は、合金の製造によって著しく減少する。これは、コストのかかる合金に対する相当な不都合を示す。

銅及びモリブデンのめっきを、化合物を形成する拡散を支援するために、例えば、６００〜８００℃の非常に高い温度で行う必要がある。このような高温処理の間に、銅材料の分解的酸化を防止することが重要となり、コストのかかる対策を必要とする。

拡散焼きなましがされた層の配列の別の不都合は、拡散温度から周囲温度／熱拡散板に接続されたパワーエレクトロニクスアセンブリの動作温度まで冷却した後に生じる強変形及びひずみにある。平坦な熱拡散板を製造するために、熱拡散板を、ローラーのセットにおいて圧延する必要がある。これによって、拡散層の機械的破壊が部分的に生じる。したがって、拡散焼きなましを用いた銅層及びモリブデン層の非対称な層の配列は、実現可能でない。

このような従来技術に基づいて、本発明の目的は、実現するのが著しく容易であるとともに費用効率が良く、かつ、最適化された熱拡散板を製造することができる熱拡散板を製造する方法を提案することである。

また、本発明の目的は、著しく低伸縮であるとともに費用効率が良い熱拡散板を提案することである。また、本発明による熱拡散板によって、熱拡散板の全体的な変形を小さくて調整可能にすることができる。

また、本発明の目的は、半導体モジュールを製造する方法を提案することである。また、本発明の目的は、接続された回路担体と共に熱拡散板の全体的な変形を小さくて調整可能にすることができる著しく低伸縮である更に発展した半導体モジュールを提案することである。

本発明によれば、熱拡散板を製造する方法に関する請求項１の要旨、回路担体の熱拡散板に関する請求項６の要旨、熱拡散板及び少なくとも一つの回路担体を備える半導体モジュールを製造する方法に関する請求項１５の要旨及び熱拡散板及び少なくとも一つの回路担体を備える半導体モジュールに関する請求項１８の要旨によって目的を達成することができる。

本発明は、第１の膨張係数を有する第１の材料で作られている少なくとも一つの第１の層及び第１の膨張係数より小さい第２の膨張係数を有する低伸縮である第２の材料で作られている少なくとも一つの第２の層を１５０℃と３００℃の間の接合温度で互いに接合した、回路担体の熱拡散板を製造する方法を提案するという考えに基づく。特に好適には、第１の材料から作られている第１の層を第２の材料から作られている第２の層に接合するために低温焼結工程を用いる。

本発明によれば、接合材で作られている少なくとも一つの第１の接合層を、第１の層と第２の層との間に形成する。

接合温度は、製造した熱拡散板を少なくとも一つの回路担体に接続するときの実装温度と略一致する。

本発明による方法の一実施の形態において、接合温度は、２００℃〜２８０℃、特に、２２０℃〜２７０℃、特に、２４０℃〜２６０℃、特に、２５０℃である。

接合層の接合材は、接合温度より上の温度に耐える接着状態を形成する。好適には、拡散金属、特に、銀（Ａｇ）及び／又は銀合金及び／又は銀合金及び／又は金（Ａｕ）及び／又は金合金及び／又は銅（Ｃｕ）及び／又は銅合金を含む。

少なくとも一つの第１の層の第１の膨張係数を有する第１の材料は、好適には、銅及び／又は銅合金を含む。

少なくとも一つの第２の層の第２の膨張係数を有する第２の材料は、好適には、ニッケル合金、特に、インバー（登録商標）（Ｆｅ_６５Ｎｉ_３５）又はインバー（登録商標）３６（Ｆｅ_６４Ｎｉ_３６）又はコバール（登録商標）（Ｆｅ_５４Ｎｉ_２９Ｃｏ_１７）及び／又はタングステン（Ｗ）及び／又は鉄−ニッケル−コバルト合金（ＦｅＮｉＣｏ合金）を含む。少なくとも一つの第２の層の第２の材料についての特に好適な材料は、モリブデン（Ｍｏ）又はモリブデン合金であることが証明された。

原理的には、用いられる第２の材料を、第１の材料の金属より小さい膨張係数を有する任意の金属とすることができる。第１の材料が銅又は銅合金である限りにおいて、すなわち、第１の層が銅又は銅合金で構成されている限りにおいて、銅より小さい膨張係数を有する全ての金属が第２の材料に適切である。

第２の材料の膨張係数が小さくなるのと同時に第２の材料の熱伝導率が高くなるに従って、この材料は、第２の材料としての使用に適するようになる。導電率は、熱伝導率に物理的に関連する。したがって、良好な熱伝導率及び／又は導電率並びに小さい熱膨張係数を有する全ての金属は、第２の材料としての使用すなわち第２の材料における使用により適している。

以下の表は、列１に記載した材料の膨張係数を列６に示す。したがって、銅より小さい膨張係数を有する全ての材料は、第２の材料としての役割を果たすのに適している／第２の材料として用いられる。

少なくとも一つの第１の層の少なくとも一つの第２の層及び接合層への接合を、圧力、特に、５ＭＰａ〜３０ＭＰａの圧力、特に、１０ＭＰａ〜２８ＭＰａの圧力、特に、２５ＭＰａの圧力を加えることによって行ってもよい。

少なくとも一つの第１の層の少なくとも一つの第２の層及び少なくとも一つの第１の接合層への接合のための低温焼結を、好適には、１５０℃と３００℃の間の温度で５ＭＰａ〜３０ＭＰａの圧力を加えることによって行う。特に好適には、低温焼結を、２５０℃の温度で２５ＭＰａの圧力を加えることによって行い、この場合、焼結を、好適には、１〜１０分間、例えば、４分間に行う。

熱拡散板を製造する方法によって、接合温度は、製造した熱拡散板を少なくとも一つの回路担体に接続するときの実装温度と略一致する。接合温度は、実装温度と正確に一致してもよい。さらに、接合温度を、最大で２０％、特に、最大で１５％、特に、最大で１０％、特に最大で５％だけ実装温度から逸脱することができる。実装温度からの接合温度の逸脱の割合の計算を、ケルビン温度目盛りの接合温度とケルビン温度目盛りの実装温度の間の差の計算に基づいて行う。

低温焼結を行うのとは別に、熱拡散板の各層を拡散はんだ付けによって互いに接合することができ、高融点金属間化合物相が形成される。熱拡散板の各層を互いに接合するために接着剤を用いることもできる。

好適には、接合材を、少なくとも一つの第１の層と少なくとも一つの第２の層の間の焼結材料又は焼結材料の成分として設けることができる。導電層を焼結することができる化合物を、接合すべき二つの層の間の焼結接合を形成するために用いることができる。焼結できる化合物を、インク、ペースト又は層状圧縮部の形状の焼結予備成形物の形態で設けてもよい。焼結予備成形物は、金属ペースト／金属焼結ペーストの塗布及び乾燥によって形成される。そのような焼結予備成形物を焼成することもできる。代替的に、接合材を、箔として、特に、金属箔として形成することができ、そのような金属箔を、第１の層と第２の層の間に配置することができる。

接合材を含む／接合材から構成されている焼結ペーストを、印刷、特に、スクリーン印刷又は孔版印刷によって第１の層／第２の層に設けることができる。任意に、そのような焼結工程を行う前に焼結ペースト及び／又は金属焼結ペーストを乾燥させることができる。焼結ペーストの金属粒子は、液体状態を経ることなく拡散により焼結中に互いに結合し、第１の層と第２の層の間に、導電性と熱伝導性の両方を有する固い金属結合を形成する。特に好適には、少なくとも第１の層と第２の層の接合を、銀及び／又は銀合金及び／又は炭酸銀及び／又は酸化銀を含む焼結ペーストを用いて行う。

本発明の別の実施の形態によれば、接合層を設ける前に、第１の層及び／又は第２の層に、好適には、第２の層に、例えば、電気めっき又はスパッタリングによって設けられる層を設けることができ、当該層は、接合層／密封層の接着を強化する役割を果たす。第２の層がモリブデン層である／モリブデンを含む限りにおいて、ニッケル−銀層（ＮｉＡｇ層）を、第２の層の結合すべき側に電気めっきによって設けることができる。接合材、特に、銀は、このニッケル−銀層への接着に特に適している。

さらに、本発明は、本発明の上述した方法によって製造される、回路担体の熱拡散板を提案するという考えに基づく。

本発明による熱拡散板は、
第１の膨張係数を有する第１の材料で作られている少なくとも一つの第１の層と、
第１の膨張係数より小さい第２の膨張係数を有する第２の材料で作られている少なくとも一つの第２の層と、
を備え、少なくとも一つの第１の接合層を、第１の層と第２の層との間に形成し、少なくとも一つの第１の接合層は、拡散金属、特に、銀（Ａｇ）及び／又は銀合金及び／又は銀合金及び／又は金（Ａｕ）及び／又は金合金及び／又は銅（Ｃｕ）及び／又は銅合金を含む。

第１の材料は、好適には、金属を含む又は金属から構成されている。特に、第１の材料は、金属、特に、銅（Ｃｕ）又は銅合金を含む。第２の材料は、ニッケル合金、特に、インバー（登録商標）（Ｆｅ_６５Ｎｉ_３５）又はインバー（登録商標）３６（Ｆｅ_６４Ｎｉ_３６）又はコバール（登録商標）（Ｆｅ_５４Ｎｉ_２９Ｃｏ_１７）及び／又はタングステン（Ｗ）及び／又は鉄−ニッケル−コバルト合金（ＦｅＮｉＣｏ合金）であってもよい。好適には、第２の材料は、ニッケル合金、特に、インバー（登録商標）（Ｆｅ_６５Ｎｉ_３５）又はインバー（登録商標）３６（Ｆｅ_６４Ｎｉ_３６）又はコバール（登録商標）（Ｆｅ_５４Ｎｉ_２９Ｃｏ_１７）及び／又はタングステン（Ｗ）及び／又は鉄−ニッケル−コバルト合金（ＦｅＮｉＣｏ合金）である。

本発明の特に好適な実施の形態によれば、第２の材料は、モリブデン（Ｍｏ）を含む。本発明の特に好適な実施の形態によれば、第２の材料は、モリブデン（Ｍｏ）である。第２の材料は、モリブデン合金を含むことができる又はモリブデン合金とすることができる。

少なくとも一つの第１の接合層を、第１の層及び／又は第２の層の境界層として形成してもよい。

接合層を独立した目に見える層とすることができる。本発明による熱拡散板の製造中に接合材を非常に薄くして設ける場合、製造された製品、すなわち、製造された熱拡散板の接合層を、第１の層及び／又は第２の層の境界層として構成してもよい。接合材を、例えば、少なくとも断面上に第１の層及び／又は第２の層に拡散させてもよい。

特に好適には、接合層の接合材は、銀又は銀合金であり、接合層を境界層として構成する場合、銀又は銀合金が断面上に第１の層及び／又は第２の層に拡散されるようにする。

本発明の別の実施の形態によれば、熱拡散板は、第１の材料から構成されている少なくとも一つの第３の層を備える。第３の層は、好適には、接合材から作られている第２の接合層によって、低伸縮である第２の材料から作られている第２の層に接合されている。したがって、熱拡散板は、二つの接合層によって互いに接合された三つの層を備える。

本発明の別の実施の形態によれば、熱拡散板は、第２の材料から作られている少なくとも一つの第４の層を備えてもよい。第４の層は、接合材から作られている第３の接合層によって、第１の材料から作られている第３の層に接合されている。本発明のこの実施の形態によれば、熱拡散板は、第１の材料又は第２の材料から形成された四つの層を備え、これら四つの層は、少なくとも三つの接合層によって互いに接合されている。

熱拡散板は、個別の層及び接合層の対称配置を備えてもよい。好適には、個別の層及び（一つ以上の）接合層の対称配置は、平坦な熱拡散板が形成されるように構成される。個別の層の対称配置は、熱拡散板の方向に延伸する理論的な対称軸の上下に整合した材料及び整合した層厚を有する個別の層及び（一つ以上の）接合層の対称配置が形成されるものであることを理解すべきである。対称軸は、熱拡散板の全体に亘る厚さに関して個別の層の配置を二分割し、熱拡散板の全体に亘る厚さは、個別の層の厚さを合計することによって形成される。

個別の層及び（一つ以上の）接合層の対称配置を形成する際に、平坦な熱拡散板を形成することができる。熱拡散板を個別に設ける際に、回路担体に実装される表面を完全に平坦にすることを要求されることがある。これは、例えば、はんだが流れるのを防止するとともにはんだによって回路担体に接続された熱拡散板が回路担体から「外れる」のを防止する。はんだ以外の接点材料を用いてもよい。

本発明の代替的な実施の形態によれば、個別の層及び（一つ以上の）接合層を非対称に配置することができる。個別の層及び（一つ以上の）接合層は、特に、凸形状又は凹形状の熱拡散板が形成されるように個別の層及び（一つ以上の）接合層が非対称に配置される。凸形状又は凹形状に形成された熱拡散板を、凸／凹側面を有する熱拡散板と称してもよい。好適には、熱拡散板は、調整された凸又は凹形状を備える。すなわち、最大曲率が規定される。

非対称配置を、理論的に形成される対称軸によって目に見えるようにすることができる。対称軸は、熱拡散板の全体に亘る厚さに関して個別の層の配置を二分割し、熱拡散板の全体に亘る厚さは、個別の層の厚さを合計することによって規定される。好適には、熱拡散板の曲率／凸又は凹形状は、低伸縮材料である第２の材料から第２の層及び／又は第４の層を構成及び／又は形成することによって調整される。好適には、第２の層及び／又は少なくとも一つの第４の層は、対称軸が製造された熱拡散板の延伸方向となるように全ての層及び（一つ以上の）接合層の全体に亘る配置に対して非対称に形成される。

各用途に応じて、最終的な冷却後の低伸縮材料である第２の材料の第２の層及び／又は第４の層の配置及び／又は形成によって、曲がった熱拡散板の輪郭を実現することができる。このために、本発明による熱拡散板は、回路担体を有する半導体モジュールを製造する本発明による上述した方法を用いて製造される。

本発明の別の実施の形態によれば、第２の層及び／又は少なくとも一つの第４の層は、第１の材料から作られている層に埋め込まれていてもよい。第１の材料から作られている層を、第１の層及び／又は第３の層としてもよい。

本発明の別の実施の形態によれば、第２の層及び／又は少なくとも一つの第４の層は、フレーム状及び／又はグリッド状及び／又はワイヤ状に形成されてもよい。好適には、このような第２の層及び／又は第４の層の構成を、第１の材料から作られている層への各層の埋め込みと組み合わせて行う。

また、本発明は、熱拡散板と、少なくとも一つの半導体部品を支持する少なくとも一つの回路担体と、を備える半導体モジュールを製造する方法を提案するという考えに基づく。好適には、熱拡散板は、本発明による上述した熱拡散板又は本発明による上述した方法によって製造された熱拡散板である。

本発明による半導体モジュールを製造する方法は、回路担体を、１５０℃〜３００℃の実装温度でコンタクト層によって熱拡散板に接続し、実装温度は、熱拡散層の（一つ以上の）層が互いに接合される間に用いられる接合温度に略一致することに基づく。すなわち、回路担体を熱拡散板に接続する間の実装温度は、熱拡散板の製造中に有効な接合温度に略一致する。

接合温度は、実装温度と正確に一致してもよい。さらに、接合温度を、最大で２０％、特に、最大で１５％、特に、最大で１０％、特に最大で５％だけ実装温度から逸脱することができる。実装温度からの接合温度の逸脱の割合の計算を、ケルビン温度目盛りの接合温度とケルビン温度目盛りの実装温度の間の差の計算に基づいて行う。

実装温度は、２００℃〜２８０℃、特に、２２０℃〜２７０℃、特に、２４０℃〜２６０℃、特に、２５０℃であってもよい。

回路担体は、好適には、熱拡散板の表面に装着／接続され、表面は、層、特に、第１の材料から構成されている第１の層又は第３の層によって形成される。表面を、熱拡散板の最上側と称することもできる。

コンタクト層は、例えば、焼結ペーストである。コンタクト層を接着層又ははんだ層とすることもできる。

本発明の一実施の形態によれば、熱拡散板の層の接合及び回路担体の熱拡散板への接続を同時に行ってもよい。本実施の形態において、接続すべき全ての層、（一つ以上の）接合層及び回路担体を、互いに重なるように配置し、例えば、低温焼結工程によって同時に互いに接続する。

本発明による熱拡散板を製造する方法と本発明による半導体モジュールを製造する方法とを組み合わせることによって、熱拡散板の規定された凸又は凹変形すなわち規定された最大曲率が形成されるように層及び（一つ以上の）接合層の非対称配置を有する熱拡散板を製造することができる。個別の層及び（一つ以上の）接続層は、互いに非対称に配置される。非対称性を、層の数及び／又は層の厚さによって調整することができる。

層及び（一つ以上の）接合層の非対称配置は、回路担体に対する熱拡散板の実装温度に略一致する接合温度で互いに接合される。

次に、熱拡散板への基板プレートの接続が行われる。これは、製造された非対称の熱拡散板を再加熱したときの凸又は凹変形が小さくなり、かつ、次に行われる基板プレートに対する熱拡散板の接続が要求に適する新たな応力平衡の際の温度が安定した最終形状を担うことを明らかにした。温度が安定した最終形状を、規定された最大曲率としてもよい。規定された最大曲率は、例えば、１００μｍである。

さらに、本発明は、好適には本発明による上述した方法によって製造される半導体モジュールを提案するという考えに基づく。半導体モジュールは、熱拡散板と、少なくとも一つの半導体部品を支持する少なくとも一つの回路担体と、を備える。熱拡散板は、好適には、本発明による熱拡散板又は本発明による上述した方法によって製造された熱拡散板である。

回路担体を、好適には、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｐｐｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ）基板として構成する。特に、回路担体を、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び／又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び／又は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）及び／又はジルコニア強化アルミナ（ＺＴＡ）から作られている基板プレートとして構成する。この種の回路担体は、比較的小さい膨張係数を有する。

本発明の別の実施の形態によれば、熱拡散板は、冷却器に接続され、熱伝導ペーストを、好適には、熱拡散板と冷却器との間に形成する。熱拡散板を冷却器に実装することによって、パワー損失が周辺に生じる半導体モジュールの熱拡散板及び冷却器を介した集中的かつ必要な冷却が可能になる。この配置によって、可能な場合にはエアギャップ又は空気混入のない冷却器の表面、特に、実装プレートに熱拡散板を形成するとともに固定することが重要となる。好適には、熱伝導ペースト、特に、プラスチック熱伝導ペーストが、熱拡散板と冷却器の表面／冷却器の実装プレートの間に形成される。熱伝導ペーストは、できるだけ薄くして設けられ、熱拡散板と冷却器の表面／冷却器の実装プレートの間に空気混入がない。

好適には、熱拡散板の曲率は、ごくわずかである。本発明による熱拡散板によって／上述した方法によって、小さい又は正確に規定された曲率を有する熱拡散板を製造することができる。

熱拡散板は、好適には、実装プレートの曲がった側／冷却器の表面に実装される。回路担体を実装した熱拡散板を、例えば、ねじによって冷却器に押圧することができる。好適には、押圧は、ゆっくり増大する圧の下で選択した押圧位置において行われる。熱拡散板の凹又は凸形状すなわち曲がった形状によって、最初に最大接触圧が冷却器の中央に加えられ、実装圧が上昇するに従って、熱伝導ペーストは内側から外側にゆっくり圧がかけられる。好適には、これによって、熱拡散板と冷却器の表面／冷却器の実装プレートの間のギャップに熱伝導ペーストが充填される。余った熱伝導ペーストを、この実装手順を用いることによって除去することができる。したがって、熱拡散板と冷却器の表面／冷却器の実装プレートの間の熱伝導ペーストの有害な蓄積を回避することができる。

このようにして、熱的に有利な形成及び固定並びに同時に解除できる接続が熱拡散板と冷却器の間に形成される。

本発明を、例示的な実施の形態により添付図面を参照しながら更に詳しく説明する。

第１の実施の形態の熱拡散板の個別の層の配置を示す。 接合状態の図１ａの熱拡散板を示す。 第２の実施の形態の本発明による熱拡散板の個別の層の配置を示す。 第３の実施の形態の本発明による熱拡散板の個別の層の配置を示す。 本発明による熱拡散板の別の実施の形態を示す。 本発明による熱拡散板の別の実施の形態を示す。 非接続状態の第１の実施の形態の回路担体を有する本発明による熱拡散板の個別の層の配置を示す。 接続状態の第１の実施の形態の回路担体を有する本発明による熱拡散板の個別の層の配置を示す。 非接続状態の別の実施の形態の回路担体を有する本発明による熱拡散板の個別の層の配置を示す。 接続状態の別の実施の形態の回路担体を有する本発明による熱拡散板の個別の層の配置を示す。 別の実施の形態の回路担体を有する本発明による熱拡散板の個別の層の配置を示す。 非接続状態の別の実施の形態の回路担体を有する本発明による熱拡散板の個別の層の配置を示す。 接続状態の別の実施の形態の回路担体を有する本発明による熱拡散板の個別の層の配置を示す。 種々の実施の形態の熱拡散板及びその上に配置された回路担体の凸形状を示す。 種々の実施の形態の熱拡散板及びその上に配置された回路担体の凸形状を示す。 種々の実施の形態の熱拡散板及びその上に配置された回路担体の凸形状を示す。 冷却器に接続した半導体モジュールを示す。

以下において、同一のパーツ及び機能的に同一のパーツに同一の参照記号を付す。

図１ａは、通常の熱拡散板１０（図１ｂ参照）の個別の層を示す。したがって、製造される熱拡散板は、第１の材料Ｍ１から作られている第１の層２０と、第２の材料Ｍ２から作られている第２の層３０と、第１の材料Ｍ１から作られている第３の層２５と、を備える。材料Ｍ１は、好適には、金属、特に、銅又は銅合金である。それに対し、材料Ｍ２は、第１の材料Ｍ１の第１の膨張係数より小さい第２の膨張係数を有する低伸縮材料である。第２の材料Ｍ２は、ニッケル合金、特に、インバー（登録商標）又はインバー（登録商標）３６又はコバール（登録商標）及び／又はタングステン及び／又は鉄−ニッケル−コバルト合金であってもよい。本実施の形態において、材料Ｍ２は、モリブデンである。

接合材ＶＭから作られている第１の接合層４０は、第１の層２０と第２の層３０との間に設けられている。接合材ＶＭから作られている第２の接合層４１は、第２の層３０と第３の層３５との間に設けられている。接合層４０及び４１の接合材ＶＭは、層２０，２５と層３０の間の接合を形成し、この接合は、接合温度より上の温度に耐える。好適には、接合層は、拡散金属、特に、銀及び／又は銀合金及び／又は銀合金及び／又は金及び／又は金合金及び／又は銅及び／又は銅合金を含む。

好適には、接合層は、焼結層、特に、焼結ペーストとして形成される。好適には、上述した拡散金属の一つを含むこのような焼結ペーストを、例えば、印刷工程によって設けてもよい。

好適には、層２０，２５及び層３０を１５０℃〜３００℃の接合温度の低温方法によって互いに接合する。特に好適には、接合温度は２５０℃である。接合層４０及び接合層４１を用いて層２０，２５及び層３０を接合するための接合温度は、実装のために製造した熱拡散板を回路担体に接続する間の実装温度に略一致する。

図１ｂは、製造した熱拡散板１０を示す。接合層４０及び接合層４１を認識することができる。接合層４０及び接合層４１を、第１の層２０と第２の層３０の境界層及び第３の層２５と第２の層３０との境界層として設計することができる。

第１の層２０を第２の層３０及び第３の層２５に接合することを、圧力、特に、５ＭＰａ〜３０ＭＰａの圧力、特に、１０ＭＰａ〜２８ＭＰａの圧力、特に、２５ＭＰａの圧力を加えることによって行う。

図１ａ及び図１ｂから認識できるように、第１の層２０の層厚ｄ１、第２の層３０の層厚ｄ２及び第３の層２５の層厚ｄ３は、同一である。図１ｂに描いた対称軸Ｓによって、熱拡散板１０が個別の層２０，２５，３０及び接合層４０，４１から対称に組み立てられていることがわかる。対称軸Ｓは、熱拡散板１０の全体に亘る層厚Ｄを二分割する。全体に亘る層厚Ｄは、層厚ｄ１，ｄ２，ｄ３を合計することによって形成される。対称軸Ｓの上下において、熱拡散板１０の対称構造は明らかである。そのような熱拡散板を用いることによって、熱拡散板１０の平坦な構造／平坦な形状が可能になる。

それに対し、図２ａは、個別の層２０，２５，３０及び接合層４０，４１の非対称配置を示す。個別の層２０，２５，３０の材料及び接合オプションについては、図１ａ及び図１ｂに関する上述した説明を参照されたい。

第１の層２０の層厚ｄ１が第２の層３０の層厚ｄ２及び第３の層２５の層厚ｄ３より厚いことがわかる。熱拡散板１０の全体に亘る層厚Ｄを二分割するほのめかした対称軸Ｓは、形成される熱拡散板１０が対称軸Ｓの上下の個別の層の非対称配置を備えることを示す。好適には、層厚ｄ１は、０．２ｍｍと３．０ｍｍの間であり、それに対し、層厚ｄ２は、０．１ｍｍと２．０ｍの間である。第１の接合層４０及び／又は第２の接合層４１の厚さは、例えば、１μｍと５０μｍの間である。層厚ｄ３は、０．２ｍｍと３．０ｍｍの間であってもよい。

それに対し、図２ｂは、個別の層２０，２５，２６，３０，３５及び接合層４０，４１，４２，４３の対称構造／対称配置を示す。製造される熱拡散板１０が低伸縮である第２の材料Ｍ２から作られている二つの層も備えてもよいことがわかる。これらは、第２の層３０及び第４の層３５である。第２の層３０の上下及び第４の層３５の上下に、第１の材料Ｍ１から作られている層がそれぞれ設けられ、これらの層は、第１の層２０、第３の層２５及び第５の層２６である。第１の材料Ｍ１から構成されている個別の層、すなわち、層２０，２５，２６は、接合層４０，４１，４２，４３によって、低伸縮である第２の材料Ｍ２から構成されている層、すなわち、第２の層３０及び第４の層３５に接合される。接合層４０，４１，４２，４３は、好適には、同一の接合材ＶＭを含む。好適には、これは、焼結材料、特に、焼結ペーストであり、焼結ペーストは、例えば、銀及び／又は酸化銀及び／又は炭酸銀を含む。

ほのめかした対称軸Ｓは、図２ｂに示す実施の形態が層２０，２５，２６，３０，３５及び接合層４０〜４３の対称配置を表現していることを示す。図２ｂに示すような熱拡散板１０によって、好適には銅によって構成される辺縁層２０，２６の伸びを減少させることができる。これは、低伸縮材料、特に、モリブデンによって構成されている二つの離間した層３０，３５によって行われる。

図３ａは、熱拡散板１０の別の実施の形態を示す。ここでは、第２の層３０は、グリッドとして構成される。グリッドは、第１の層２０の第１の側１５の上部から見たときに目に見える。第２の層３０は、第１の材料Ｍ１から作られている第１の層２０に埋め込まれている。半円形のくぼみ２２が熱拡散板１０の第１の側１５の反対にある側１６に形成されている。

熱拡散板１０の図３ｂに示す実施の形態によれば、第２の層３０が第１の層２０に埋め込まれている。熱拡散板１０の第１の側１５の反対にある側１６にくぼみ２２と隆起２３の両方が形成されている。第２の層３０は、上部３６及び下部３７から形成されている。下部３７は、ワイヤ状に形成されている。ワイヤの断面を認識することができる。下部３７のワイヤは、隆起２３に配置される。それに対し、上部３６は、プレート状に形成されているが、第１の層２０より狭い幅を有する。

図４ａにおいて、製造される半導体モジュールの個別の層／部品を表現する。熱拡散板１０は、第１の材料Ｍ１から作られている第１の層２０及び第２の材料Ｍ２から作られている第２の層３０から形成されている。接合層４０は、第１の層２０と第２の層３０の間に形成されている。この接合層は、好適には、接合材ＶＭ、すなわち、銀を含む焼結層である。

第２の層３０の第１の側３１の上には、接合強化層５０が設けられている。第２の層３０の第１の側３１は、第１の層２０に対向する第２の層３０の側である。接合強化層５０は、好適には、第２の層３０に電気めっきを施すことによって設けられる。接合強化層５０は、例えば、ニッケル−銀層である。接合強化層５０によって、第２の層３０と接合層４０の間の接着力を向上させることができる。接合状態（図４ｂ参照）において、結合された接合層４５が形成される。接合層４０及び接合強化層５０は、結合された接合層４５を形成するために低温焼結工程を用いて互いに押圧される。

図４ｂのほのめかした対称軸Ｓは、熱拡散板１０が非対称構造を有することを認識するのに役立つ。対称軸Ｓについては、上述した説明を適用する。非対称構造は、第１の層２０及び第２の層３０の異なる層厚によって実現される。第１の層２０の層厚ｄ１は、第２の層３０の層厚ｄ２より厚い。

回路担体８０は、例えば、いわゆるＤＣＢ基板である。これを、酸化アルミニウム及び／又は窒化ケイ素及び／又はジルコニア強化アルミナから作られている基板プレートとして構成してもよい。

コンタクト層６０を、回路担体８０を熱拡散板１０に接続するために設ける。このコンタクト層６０は、例えば、焼結ペーストであってもよい。コンタクト層６０を接着層又ははんだ層とすることもできる。回路担体８０は、コンタクト層６０によって、熱拡散板１０の回路担体８０に対向する側１５に取り付けられる。回路担体８０に接続される熱拡散板１０の表面１５は、第１の層２０の第１の側１５であり、第１の層２０の第１の側１５は、第２の層３０から見て外方に向くように構成される。

回路担体８０の熱拡散板１０への接続は、配置の実装温度を１５０℃〜３００℃にすることによって行われ、実装温度は、熱拡散板１０の層２０及び層３０を接合するときの接合温度に略一致する。両方の層２０，３０及び回路担体８０を単一の工程ですなわち同時に接続することができる。

図４ａ及び図４ｂに示す本発明の実施の形態は、回路担体８０に接続することができる熱拡散板１０に対する最小のあり得るサーマルスタックを表す。

図５ａ及び図５ｂも熱拡散板１０の非対称構造を示す。図４ａ及び図４ｂの実施の形態に対して、熱拡散板１０は、第１の層２０、第２の層３０及び第３の層２５によって構成されている。第１の層２０及び第３の層２５は、第１の材料Ｍ１を含む。材料は、好適には、銅である。異なる層厚ｄ１及びｄ３を有するこれらの二つの層２０，２５の間に、第２の材料Ｍ２から作られている第２の層３０が形成されている。第２の材料Ｍ２は低伸縮材料から構成されている／第２の材料Ｍ２の膨張係数は第１の材料Ｍ１の膨張係数より小さい。非対称な熱拡散板１０は、その上に形成された回路担体８０を有し、したがって、半導体部品９０（図示せず）とともに半導体モジュール１００を形成する。

図６に示す半導体モジュールの実施の形態も非対称な熱拡散板１０に基づく。銅のような第１の材料Ｍ１から作られている第１の層２０は、低伸縮である第２の材料Ｍ２から作られている第２の層３０に接合されている。このために、接合層４０が二つの層２０，３０の間に設けられている。第１の層２０の層厚ｄ１は、第２の層３０の層厚ｄ２の６倍である。この場合も、回路担体８０を、コンタクト層６０によって第１の層２０の第１の側１５に取り付けることができる。

第２の層３０は、第１の層２０より狭い幅を有する。第２の層３０の幅は、コンタクト層６０の幅に略一致する。

図７ａ及び図７ｂに示す実施の形態において、熱拡散板１０及び回路担体８０から構成されている別の配置を示す。図７ａは、非接続状態の二つの部品を示す。

熱拡散板１０は、第１の層２０と、第２の層３０と、を備える。第２の層３０は、第１の材料Ｍ１から構成されている第１の層２０に埋め込まれている。したがって、幾何学的に小さい層３０は、第１の層２０の隙間に配置されるとともに接合層４０によって接続されている。第２の層３０の幅ｂ１は、コンタクト層６０の幅ｂ２と略一致する。回路基板８０、特に、コンタクト層６０が第２の層３０と合同的に形成されるように回路基板８０が第２の層３０の上に配置される。

熱拡散板１０は、突出した台部２９を備える。回路基板８０を、この台部２９の最上側１５に取り付けることができる。突出した台部２９は、実装補助の役割を果たしてもよい。さらに、この台部２９は、熱拡散板１０の個別の層の非対称配置に寄与する。台部を、例えば、図６に示す層２０，３０を互いに押圧することによって形成してもよい。

図８ａは、熱拡散板１０が凹形状を有する半導体モジュール１００を示す。熱拡散板１０の凹形状は、熱拡散板１０の非対称構造の結果である。第３の層２５の層厚ｄ３は、第１の層２０の層厚ｄ１より小さく、その結果、熱拡散板１０は、一般的には、第３の層２５の方向に曲げられている。取り付けられた半導体部品９０を有する回路担体８０は、熱拡散板１０の第１の層の第１の側１５、すなわち、熱拡散板１０の最上側１５に接続されている。熱拡散板１０の凹形状によって形成された湾入が回路担体８０の中央位置の跡をつけるように回路担体８０が熱拡散板１０に接続されている。

図８ｂは、別の半導体モジュール１００を示す。本実施の形態の熱拡散板１０は、冷却フィン１１０を備える。他の点については、図８ｂの半導体モジュール１００の構造は、図８ａに示す実施の形態の構造と同一である。

図８ｃは、熱拡散板１０が複数の凹形状のへこみを備えてもよいことを示し、これによって、示した例において三つの湾入７０を形成し、三つの回路担体８０はそれぞれ、第１の層２０の第１の側１５の湾入７０の中央に配置される。熱拡散板１０の凹形状のへこみ／曲がった側７５が形成され、三つの部分の第２の層３０は、第１の材料Ｍ１から構成されている第１の層２０に埋め込まれる。曲がった側／湾入７０が第２の層３０のそれぞれの部分の上／下に形成されるように第２の層３０が配置される。

三つの互いに独立した半導体モジュール１００を形成するために図８ｃの配置を分割することができる。

図９は、凹形状の熱拡散板１０と、回路担体８０と、冷却器１２０と、回路担体８０の上に配置されるとともに回路担体８０に接続された半導体部品９０と、を備える半導体モジュール１００を示す。熱伝導ペースト１３０が熱拡散板１０と冷却器１２０との間に設けられている。熱伝導ペースト１３０は、好適には、できるだけ薄く設けられるとともに熱拡散板１０と冷却器１２０の間に空気混入がないプラスチックペーストである。曲がった側７５／湾入７０の反対にある熱拡散板１０の側が冷却器１２０の表面１２５に実装される。

熱拡散板１０は、締め付け装置としての役割を果たすねじ１４０によって冷却器１２０の表面１２５に押圧される。実装圧が上昇するに従って、熱伝導ペースト１３０は内側から外側に圧がかけられ、これによって、熱拡散板１０と冷却器１２０の表面１２５の間のギャップに熱伝導ペーストが充填される。

図９は、部分的に実装された状態を示す。完全に実装した状態において、熱拡散板１０は、好適には、冷却器１２０の表面１２５に十分に支持される。粗い表面１２５、すなわち、熱拡散板１０と冷却器１２０の輪郭誤差は、熱伝導ペースト１３０によって補償される。図示した冷却器１２０は、いわゆる空気冷却器である。

１０ 熱拡散板
１５ 第１の層の第１の側
１６ 熱拡散板の側
２０ 第１の層
２２ くぼみ
２３ 隆起
２５ 第３の層
２６ 第５の層
２９ 台部
３０ 第２の層
３１ 第２の層の第１の側
３５ 第４の層
３６ 上部
３７ 下部
４０ 第１の接合層
４１ 第２の接合層
４２ 第３の接合層
４３ 第４の接合層
４５ 結合された接合層
５０ 接合強化層
６０ コンタクト層
７０ 湾入
７５ 曲がった側
８０ 回路担体
９０ 半導体部品
１００ 半導体モジュール
１１０ 冷却フィン
１２０ 冷却器
１２５ 冷却器表面
１３０ 熱伝導ペースト
１４０ ねじ
ｂ１ 第２の層の幅
ｂ２ コンタクト層の幅
ｄ１ 第１の層の層厚
ｄ２ 第２の層の層厚
ｄ３ 第３の層の層厚
ｄ４ 第４の層の層厚
ｄ５ 第５の層の層厚
Ｄ 熱拡散板の全体に亘る層厚
Ｍ１ 第１の材料
Ｍ２ 第２の材料
Ｓ 対称軸
ＶＭ 接合材

Claims (20)

1. 回路担体（８０）の熱拡散板（１０）を製造する方法において、
   第１の膨張係数を有する第１の材料（Ｍ１）で作られている少なくとも一つの第１の層（２０）及び前記第１の膨張係数より小さい第２の膨張係数を有する低伸縮である第２の材料（Ｍ２）で作られている少なくとも一つの第２の層（３０）を、特に、低温焼結工程によって１５０℃と３００℃の間の接合温度で互いに接合し、接合材（ＶＭ）で作られている少なくとも一つの第１の接合層（４０）を、前記第１の層（２０）と前記第２の層（３０）との間に形成し、前記接合温度は、製造した熱拡散板（１０）を少なくとも一つの回路担体（８０）に接続する間の実装温度と略一致することを特徴とする方法。
2. 前記接合温度は、２００℃〜２８０℃、特に、２２０℃〜２７０℃、特に、２４０℃〜２６０℃、特に、２５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 接合層（４０，４１，４２，４３）の接合材（ＶＭ）は、前記接合温度より上の温度に耐える接着状態を形成し、拡散金属、特に、銀（Ａｇ）及び／又は銀合金及び／又は銀合金及び／又は金（Ａｕ）及び／又は金合金及び／又は銅（Ｃｕ）及び／又は銅合金を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の材料（Ｍ１）は、金属、特に、銅（Ｃｕ）又は銅合金を含み、及び／又は、前記第２の材料（Ｍ２）は、ニッケル合金、特に、インバー（登録商標）（Ｆｅ_６５Ｎｉ_３５）又はインバー（登録商標）３６（Ｆｅ_６４Ｎｉ_３６）又はコバール（登録商標）（Ｆｅ_５４Ｎｉ_２９Ｃｏ_１７）及び／又はタングステン（Ｗ）及び／又は鉄−ニッケル−コバルト合金（ＦｅＮｉＣｏ合金）、特に好適には、モリブデン（Ｍｏ）を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記少なくとも一つの第１の層（２０）の前記少なくとも一つの第２の層（３０）及び前記少なくとも一つの第１の接合層（４０）への接合を、圧力、特に、５ＭＰａ〜３０ＭＰａの圧力、特に、１０ＭＰａ〜２８ＭＰａの圧力、特に、２５ＭＰａの圧力を加えることによって行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 特に、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法によって製造される、回路担体（８０）の熱拡散板（１０）であって、
   第１の膨張係数を有する第１の材料（Ｍ１）で作られている少なくとも一つの第１の層（２０）と、
   前記第１の膨張係数より小さい第２の膨張係数を有する第２の材料（Ｍ２）で作られている少なくとも一つの第２の層（３０）と、
   を備え、少なくとも一つの第１の接合層（４０）を、前記第１の層（２０）と前記第２の層（３０）との間に形成し、前記少なくとも一つの第１の接合層（４０）は、拡散金属、特に、銀（Ａｇ）及び／又は銀合金及び／又は銀合金及び／又は金（Ａｕ）及び／又は金合金及び／又は銅（Ｃｕ）及び／又は銅合金を含む熱拡散板（１０）。
7. 前記少なくとも一つの第１の接合層（４０）を、前記第１の層（２０）及び／又は前記第２の層（３０）の境界層として構成したことを特徴とする請求項６に記載の熱拡散板（１０）。
8. 前記第１の材料（Ｍ１）は、金属、特に、銅（Ｃｕ）又は銅合金を含み、及び／又は、前記第２の材料（Ｍ２）は、ニッケル合金、特に、インバー（登録商標）（Ｆｅ_６５Ｎｉ_３５）又はインバー（登録商標）３６（Ｆｅ_６４Ｎｉ_３６）又はコバール（登録商標）（Ｆｅ_５４Ｎｉ_２９Ｃｏ_１７）及び／又はタングステン（Ｗ）及び／又は鉄−ニッケル−コバルト合金（ＦｅＮｉＣｏ合金）、特に好適には、モリブデン（Ｍｏ）を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の熱拡散板（１０）。
9. 前記第１の材料（Ｍ１）から作られている少なくとも一つの第３の層（２５）は、接合材（ＶＭ）から作られている第２の接合層（４１）によって、低伸縮である前記第２の材料（Ｍ２）から作られている前記第２の層（３０）に接合されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の熱拡散板（１０）。
10. 前記第２の材料（Ｍ２）から作られている少なくとも一つの第４の層（３５）は、接合材（ＶＭ）から作られている第３の接合層（４２）によって、前記第１の材料（Ｍ１）から作られている前記第３の層（３０）に接合されていることを特徴とする請求項９に記載の熱拡散板（１０）。
11. 請求項６〜１０のいずれか一項、特に、請求項９及び１０のいずれか一項に記載の熱拡散板（１０）において、
    特に、平坦な熱拡散板（１０）が形成されるように個別の層（２０，２５，２６，３０，３５）及び（一つ以上の）接合層（４０，４１，４２，４３）が対称に配置されていることを特徴とする熱拡散板（１０）。
12. 請求項６〜１０のいずれか一項、特に、請求項９及び１０のいずれか一項に記載の熱拡散板（１０）において、
    特に、凸形状又は凹形状の熱拡散板（１０）が形成されるように個別の層（２０，２５，２６，３０，３５）及び（一つ以上の）接合層（４０，４１，４２，４３）が対称に配置されていることを特徴とする熱拡散板（１０）。
13. 前記第２の層（３０）及び／又は前記第４の層（３５）は、前記第１の材料（Ｍ１）から作られている層（２０，２５，２６）に埋め込まれていることを特徴とする請求項６〜１２のいずれか一項に記載の熱拡散板（１０）。
14. 前記第２の層（３０）及び／又は前記第４の層（３５）は、フレーム状及び／又はグリッド状及び／又はワイヤ状に形成されていることを特徴とする請求項６〜１３のいずれか一項に記載の熱拡散板（１０）。
15. 特に、請求項６〜１４のいずれか一項に記載の熱拡散板（１０）又は請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法によって製造された熱拡散板と、少なくとも一つの半導体部品（９０）を支持する少なくとも一つの回路担体（８０）と、を備える半導体モジュールを製造する方法において、
    前記回路担体（８０）を、１５０℃〜３００℃の実装温度でコンタクト層（６０）によって前記熱拡散板（１０）に接続し、前記実装温度は、前記熱拡散層（１０）の層（２０，２５，２６，３０，３５，４０，４１，４２，４３）が互いに接合される接合温度に略一致することを特徴とする方法。
16. 前記層（２０，２５，２６，３０，３５，４０，４１，４２，４３）を前記熱拡散板（１０）に接続すること及び前記回路担体（８０）を前記熱拡散板（１０）に接続することを同時に行うことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記実装温度は、２００℃〜２８０℃、特に、２２０℃〜２７０℃、特に、２４０℃〜２６０℃、特に、２５０℃であることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 特に、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の方法によって製造された半導体モジュール（１００）であって、
    請求項６〜１４のいずれか一項に記載の熱拡散板（１０）又は請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法によって製造された熱拡散板（１０）と、
    少なくとも一つの半導体部品（９０）を支持する少なくとも一つの回路担体（８０）と、
    を備える半導体モジュール（１００）。
19. 前記回路担体（８０）を、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び／又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び／又は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）及び／又はジルコニア強化アルミナ（ＺＴＡ）から作られているＤＣＢ基板として構成したことを特徴とする請求項１８に記載の半導体モジュール（１００）。
20. 前記熱拡散板（１０）は、冷却器（１２０）に接続され、熱伝導ペースト（１３）を、好適には、前記熱拡散板（１０）と前記冷却器（１２０）との間に形成したことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の半導体モジュール（１００）。

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