半导体装置用散热器及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种半导体装置用散热器及其制造方法，其可以接合多个销形散热片，使得即使组装到直接用水冷却的半导体装置用散热构造中，这多个销形散热片也不易断裂。半导体装置用散热器（１）具有：多个柱状部件（１３），其通过螺柱焊与板状部件（１１、１２）的至少一个表面接合；以及接合层（１４），其形成在板状部件（１１、１２）和柱状部件（１３）之间。板状部件（１１、１２）包含基材（１１）和表面层（１２）。表面层（１２）和柱状部件（１３）由含有铝或铝合金的材料构成。板状部件（１１、１２）的厚度为０．５～６ｍｍ，表面层（１２）的厚度为０．１～１ｍｍ。接合层（１４）在其与板状部件（１１、１２）的边界具有接合界面（１５）。接合界面（１５）存在于表面层（１２）内的面积比例换算为向板状部件（１１、１２）的一个表面的投影平面，为大于或等于５０％而小于或等于１００％。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种，特别地， 涉及在搭载于汽车等上的绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等动力设备 中使用的散热器及其制造方法。
技术介绍
在电车或电动车等的电动机控制中使用的IGBT等动力设备中， 为了有效地释放半导体装置的发热，使用散热器。图6是概略表示现有的使用了散热器的半导体装置用散热构造的图。如图6所示，在由氮化铝、氮化硅、氧化铝等构成的绝缘基板4 的两侧表面，形成铝层3 (或铜层)。在形成铝层3的绝缘基板4的 一个表面上，经由焊锡层2搭载半导体装置5。在形成铝层3的绝缘 基板4的相反一侧的另一个表面上，经由焊锡层2接合由铜一钼合金 板6构成的散热器。此外，为了确保焊锡层的接合性，在铜一钼合金 板6的表面实施镀镍。在与绝缘基板4接合的铜一钼合金板6的一个 表面的相反一侧的另一个侧面，经由导热脂7安装冷却单元500。在 冷却单元500的内部形成冷媒流通路径530，其用于利用泵510使水 或其它液体作为冷媒而流通。因为冷却单元500具有冷却器520，所 以最后会将热量释放到空气中。由铜一钼合金板6构成的散热器，起 到将半导体装置5中的局部发热传递至冷却单元500的冷媒流通路径 530中的作用。为了实现上述目的，散热器要求较高的热传导性。另外，为了 防止搭载的半导体装置因温度变化引起的热应力破坏，散热器还要求 与绝缘基板材料接近的热膨胀特性。作为满足这些要求的散热器材料，当前一直使用铜一钼合金板。但是，铜一钼合金板存在几个缺点。第1个问题是其重量大，特别是在要求轻量化的输送设备上， 是很大的问题。第2个问题并不是铜—钼合金板本身的缺点，如图6所示，因为在铜一钼合金板6与冷却单元500之间设置热传导脂7，所以无法 提高冷却效率。为了解决这一问题，也考虑利用液体直接冷却铜一钼 合金板6等方法。但是，在利用液体直接冷却铜一钼合金板的情况下，必须研究 冷却单元的结构。在这里，汽车发动机用的一般冷却器是铝合金制， 从铝腐蚀的角度来说，很难与半导体装置用散热构造共用冷却器。此 外，也考虑构成半导体装置用散热构造专用的铜制冷却器，但该方法 在导致重量增加的同时，除了空间充裕的大型车辆等之外，很难在乘 用车中使用。为了解决上述第l课题，作为散热器的材料，提出取代铜一钼 合金板，使用铝或铝合金与碳化硅粒子的复合材料。在使用这种材料 的情况下，为了确保焊锡层的接合性，在复合材料的表面实施镀镍等。 但是，在这种材料中，由于碳化硅粒子与铝或铝合金的界面在复合材 料表面露出、以及由碳化硅粒子的脱粒等形成的孔隙的影响，很难均 匀地在表面上形成镀层。因此，因为会发生在形成焊锡层之后，在焊 锡层内部残留大量由镀层不完整而造成的空隙等问题，所以这种复合 材料未广泛使用。在国际公开第WO2006/077755号小册子(专利文献1)中，提 出用于解决这些问题的半导体装置用部件。该半导体装置用部件具有 基材和与基材两侧表面接合的表面层，该基材由铝一碳化硅复合材料 构成，该复合材料是使粒状的碳化硅分布在铝或铝合金中，初始原料 为粉末材料，表面层含有初始原料为熔制材料的铝或铝合金。在该半 导体装置用部件中，因为镀层形成在作为熔制材料的铝或铝合金的表 面层上，所以可以形成高质量的镀层，大幅度减少残留在焊锡层中的 空隙。另外，该半导体装置用部件也可以解决上述第2课题，因为存 在作为熔制材料的铝或铝合金的表面层，所以可以期待能够实现以与汽车用发动机共用冷却器的形式直接用水冷却散热器的半导体装置用散热构造。在电车或电动车等输送用设备中，要求使IGBT等动力设备进一步小型化而节省空间，并增大动力设备的输出。为了与这些要求相对应，必须进一步提高散热器的单位面积的散热性。在散热部件中，因材质而限定热传导率等物性值的情况下，为了提高散热性，有效的方法是增大散热面积，已知通常采用翅片或销等形状作为散热面。对于由铝或铝合金与碳化硅粒子的复合材料构成的散热部件，也尝试以翅片或销形成为散热面。另外，例如，在日本专利第3692437号公报(专利文献2)、日本特开2005— 121345号公报(专利文献3)中提出，为了制造具有销形散热片的散热片或板型热导管，使多个销形散热片通过螺柱焊与铝或铝合金材料接合。专利文献1:国际公开第WO2006/077755号小册子专利文献2:日本专利第3692437号公报专利文献3:日本特开2005 — 121345号公报
技术实现思路
因此，作为散热器的材料，考虑使用具有由铝一碳化硅复合材料构成的基材、和与基材的两侧表面接合的含有铝或铝合金的表面层的部件，通过螺柱焊使多个销形散热片与表面层接合。但是，即使尝试在表面层上通过螺柱焊接合多个销形散热片，也很难获得具有对于散热器材料来说实用的接合强度的构造体。特别地，很难以下述方式接合多个销形散热片，即，即使将散热器组装到直接用水冷却的半导体装置用散热构造中，多个销形散热片也不易断裂。因此，本专利技术的目的在于提供一种，其可以以下述方式接合多个销形散热片，即，即使组装到直接用水冷却的半导体装置用散热构造中，多个销形散热片也不易断裂。本专利技术的半导体装置用散热器具有板状部件，其具有一个表面和该一个表面相反一侧的另一个表面；多个柱状部件，其与该板状部件的至少一个表面接合；以及接合层，其形成在板状部件和柱状部件之间。板状部件包含基材和与该基材的两侧表面接合的表面层。板状部件的线膨胀系数大于或等于3X10—6/K且小于或等于16X10 —6/K，板状部件的热传导率大于或等于120W/nvK。表面层由含有铝或铝合金的材料构成，柱状部件由含有铝或铝合金的材料构成。板状部件的厚度大于或等于0.5mm且小于或等于6mm，表面层的厚度大于或等于0.1mm且小于或等于lmm。接合层在其与板状部件的边界上具有接合界面。该接合界面存在于表面层内的面积比例，换算为向板状部件的一个表面的投影平面，为大于或等于50%且小于或等于100%。在按照这种方式构成的本专利技术的半导体装置用散热器中，因为同时具有尽可能高效释放半导体装置发热的较高的导热性，和为了防止搭载的半导体装置的因温度变化引起的热应力破坏而与绝缘基板材料接近的热膨胀性，并且，由含有铝或铝合金的材料构成的柱状部件利用上述限定的面积比例的接合界面与板状部件接合，所以可以接合多个销形散热片，以使得即使在直接用水冷却的半导体装置用散热构造中组装本专利技术的半导体装置用散热器，多个销形散热片也不易断裂。在本专利技术的半导体装置用散热器中，表面层的材料与柱状部件的材料相比，优选电化学方面更稳定的材料。由此，因为柱状部件与表面层相比先发生腐蚀，所以可以对于腐蚀而提高长时间的可靠性。在这种情况下，形成表面层的含有铝或铝合金的材料中的铝的含量，优选高于形成柱状部件的含有铝或铝合金的材料中的铝的含量。由此，因为柱状部件与表面层相比先发生腐蚀，所以可以对于腐蚀而提高长时间的可靠性。另外，在这种情况下，形成表面层的铝或铝合金的结晶粒径，优选大于形成柱状部件的铝或铝合金的结晶粒径。由此，因为柱状部件与表面层相比先发生腐蚀，所以表面层根据后述定义，与柱状部件相比电化学方面更稳定，且可对于腐蚀而提高长时间的可靠性。在本专利技术的半导体装置用散热器中，基材的初始原料优选粉末材料。本专利技术涉及的半导体装置用部件具有至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置用散热器（１），其特征在于，具有：　板状部件（１１、１２），其具有一个表面和与该一个表面相反一侧的另一个表面；　多个柱状部件（１３），其与前述板状部件（１１、１２）的至少一个表面接合；以及　接合层（１４），其 形成在前述板状部件（１１、１２）与前述柱状部件（１３）之间，　前述板状部件（１１、１２）包含基材（１１）、和与该基材（１１）的两侧表面接合的表面层（１２），　前述板状部件（１１、１２）的线膨胀系数大于或等于３×１０↑［－６］／Ｋ 且小于或等于１６×１０↑［－６］／Ｋ，前述板状部件（１１、１２）的热传导率大于或等于１２０Ｗ／ｍ.Ｋ，　前述表面层（１２）由含有铝或铝合金的材料构成，　前述柱状部件（１３）由含有铝或铝合金的材料构成，　前述板状部件（１１、 １２）的厚度大于或等于０．５ｍｍ且小于或等于６ｍｍ，前述表面层（１２）的厚度大于或等于０．１ｍｍ且小于或等于１ｍｍ，　前述接合层（１４）在其与前述板状部件（１１、１２）的边界处具有接合界面（１５），　前述接合界面（１５）存在于前 述表面层（１２）内的面积比例，换算为向前述板状部件（１１、１２）的一个表面的投影平面，为大于或等于５０％且小于或等于１００％。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2007-5-29 142561/20071.一种半导体装置用散热器(1)，其特征在于，具有板状部件(11、12)，其具有一个表面和与该一个表面相反一侧的另一个表面；多个柱状部件(13)，其与前述板状部件(11、12)的至少一个表面接合；以及接合层(14)，其形成在前述板状部件(11、12)与前述柱状部件(13)之间，前述板状部件(11、12)包含基材(11)、和与该基材(11)的两侧表面接合的表面层(12)，前述板状部件(11、12)的线膨胀系数大于或等于3×10-6/K且小于或等于16×10-6/K，前述板状部件(11、12)的热传导率大于或等于120W/m·K，前述表面层(12)由含有铝或铝合金的材料构成，前述柱状部件(13)由含有铝或铝合金的材料构成，前述板状部件(11、12)的厚度大于或等于0.5mm且小于或等于6mm，前述表面层(12)的厚度大于或等于0.1mm且小于或等于1mm，前述接合层(14)在其与前述板状部件(11、12)的边界处具有接合界面(15)，前述接合界面(15)存在于前述表面层(12)内的面积比例，换算为向前述板状部件(11、12)的一个表面的投影平面，为大于或等于50％且小于或等于100％。2. 如权利要求l所述的半导体装置用散热器(l)，其特征在于， 前述表面层(12)的材料与前述柱状部件(13)的材料相比，在电化学方面更稳定。3. 如权利要求2所述的半导体装置用散热器(1)，其特征在于，形成前述表...

【专利技术属性】
技术研发人员：池田利哉，小山茂树，西田慎也，
申请(专利权)人：联合材料公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]