专利名称：用于压力接触结构的陶瓷热沉材料、使用其的半导体模块和用于制造半导体模块的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于压力接触结构的陶瓷热沉材料和使用该陶瓷热沉材料的半导体模块，还涉及一种用于制造该半导体模块的方法。
背景技术：
通常，具有绝缘和电极功能的陶瓷金属电路板已经广泛用于装配电力电子设备的领域中。在该领域中，主要由氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)作为主要成分构成的基板通常用作陶瓷基板。然而，由于氧化铝基板的热导率低至约18W/m.Κ，其散热特性(热辐射特性)不足。另一方面，尽管AlN·基板的热导率高达约200W/m.Κ，但AlN基板的机械强度低，因此其耐热循环特性不足。为了应对这些问题，已经开发了高热导率氮化硅基板作为具有优异导热特性和优异机械强度特性的陶瓷材料。例如，日本专利特开N0.2009-120483 (专利文献I)公开了一种金属电路板，其由氮化硅陶瓷基板制成，在其中通过控制在氮化硅陶瓷基板的晶界相中形成的孔隙的直径来减小泄漏电流。同时，通过借助(通过)基于Ag-Cu-Ti的活性金属钎焊材料将铜电路板焊接到氮化硅基板来形成由氮化硅陶瓷烧结体制成的金属电路板。氮化硅基板包含作为其主要成分的氣化娃，因此具有闻达600MPa或更闻的二点弯曲强度。为此，氣化娃基板和铜板的焊接结构也具有优异的耐热循环特性，因此即使在焊接结构经受到长期的热循环时，在氮化硅基板中也几乎不会造成诸如裂纹和剥离之类的缺陷。例如，日本专利特开N0.2003-192462 (专利文献2)公开了由氮化硅基板制成并根据专利文献2获得的金属电路板能够经受住3000次循环的耐热循环测试(TCT测试)。另一方面，为了形成陶瓷基板与金属电路板的焊接体，焊接过程是必要的，这不可避免地导致制造成本的增加。为此，如日本专利特开(N0.2003-197836)(专利文献3)中所公开的，为了改进绝缘特性，提出了使用氮化硅基板作为用于压力接触结构的间隔体。此夕卜，由于氮化硅基板具有高机械强度和高断裂韧度值，已经证实了氮化硅基板也足以经受住在使用螺钉等将基板应用于压力接触结构的情况下产生的应力。构成氮化硅基板的氮化硅烧结体包含作为主相的β -氮化硅(Si3N4)15 β -Si3N4颗粒(晶粒)是具有伸长形状的晶体颗粒，在其中长轴长度与短轴长度的比(长宽比)是二或更大。在所述氮化硅烧结体中，以具有约2到10 μ m的平均颗粒直径的大量β -Si3N4颗粒彼此错杂地纠缠(be complicatedly entangled)的方式,实现了具有高机械强度和高断裂韧度值的结构。如上所述，氮化硅基板包含作为主相的β -Si3N4颗粒，因此氮化硅基板的表面上存在微小凹陷和凸起。这是由P-Si3N4颗粒彼此错杂地纠缠的事实所导致的。即使在将氮化硅基板的表面镜面抛光以便具有0.05 μ m或更小的表面粗糙度Ra的情况下，也难以消除这些凹陷和凸起。镜面抛光过程自身也导致制造成本的增加。在上述具有微小凹陷和凸起的氮化硅基板中，尤其是在具有凸起部分的氮化硅基板中，会出现如下问题，当长期在施加压力接触应力的情况下使用氮化硅基板时，造成氮化硅基板中以凸起部分为起点的裂纹。此外，如上所述，氮化硅基板的表面上存在微小凹陷和凸起，因此在压力接触结构中，在氮化硅基板与接触到氮化硅基板的构件(接触构件)之间造成微小裂缝。接触构件通常由金属构件构成，诸如金属板。因此，当在形成压力接触结构时由于氮化硅基板表面上的微小凹陷和凸起而在氮化硅基板与金属构件之间形成间隙时，间隙阻碍了在氮化硅基板与金属构件之间的热传导，这导致作为模块的压力接触结构的散热特性(热辐射特性)劣化。引用文献列表专利文献专利文献1:日本专利特开N0.2009-120483专利文献2:日本专利特开N0.2003-192462专利文献3:日本专利特开N0.2003-19783
发明内容
技术问题如上所述，传统氮化硅基板的表面上存在微小凹陷和凸起。因此，当采用压力接触结构时，在氮化硅基板与接触构件(挤压构件)之间易于形成间隙。结果，当采用压力接触结构作为模块结构体时，间隙导致传热热阻增大，以至于使得模块结构体的散热特性劣化。此外,在使氮化娃基板与接触构件彼此挤压接触(press-contact)时,微小凸起部分导致裂纹的出现。为了避免裂纹的影响，还可以想到例如增大氮化硅基板的厚度。然而，增大氮化硅基板的厚度不是优选的，因为当氮化硅基板的厚度增大时，基板自身就充当了阻热体。实现本发明来解决上述的问题。本发明的目的是提供一种氮化硅绝缘基板(用于压力接触结构的陶瓷热沉材料)，其可以解决由于在氮化硅基板的表面上形成的微小凹陷和凸起而在氮化硅基板与接触构件之间形成的间隙的问题，并且其可以减少起因于在氮化硅基板的表面上形成的微小凸起的裂纹的出现。问题的解决方案根据本发明的用于压力接触结构的第一陶瓷热沉材料的特征在于:在用于在陶瓷基板上提供了树脂层的压力接触结构的陶瓷热沉材料中，所述树脂层具有70或更小的计示(肖氏)硬度(A型)，及存在于陶瓷基板与所述树脂层之间的界面中的间隙的平均尺寸值是3μπι或更小。此外，优选地，在用于压力接触结构的所述第一陶瓷热沉材料中，通过固化热固树脂来形成所述树脂层，所述热固树脂在60° C的温度流态化。即，所述热固树脂在60° C的温度呈现流动性。
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此外，根据本发明的用于压力接触结构的第二陶瓷热沉材料特征在于:在用于在陶瓷基板上提供了树脂层的压力接触结构的陶瓷热沉材料中，通过固化在60° C的温度流态化的热固树脂形成所述树脂层。
此外，优选地，在用于压力接触结构的所述第二陶瓷热沉材料中，所述树脂层包含无机填料颗粒。此外，优选地，所述树脂层具有10或更大的计示(肖氏)硬度(A型)。此夕卜，优选地，所述陶瓷基板是氮化硅基板、氧化铝基板和氮化铝基板中的任意一种。此外，优选地，所述树脂层的厚度是50 μ m或更小。此外，优选地，所述陶瓷基板的表面粗糙度Ra在
0.1到5 μ m范围内。此外，根据本发明的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料适合于半导体模块，特别适合于使挤压构件与陶瓷热沉材料挤压接触以形成压力接触结构的半导体模块。此外，优选地，根据本发明的半导体模块具有部分，在通过使用挤压构件形成压力接触结构时，所述挤压构件与所述陶瓷基板的表面在所述部分处直接接触。此外，优选地，所述挤压构件与所述陶瓷基板·的表面直接接触所处的所述部分是点接触部分，具有Imm或更小的最大直径。此外，优选地，存在多个所述点接触部分。发明的有益效果在根据本发明的用于压力接触结构的第一陶瓷热沉材料中，在陶瓷基板上提供树脂层，其具有70或更小的计示(肖氏)硬度(A型)，因此可以将存在于陶瓷基板与树脂层之间的界面中的间隙的平均(高度)值减小到3 μ m或更小。此外，根据本发明的用于压力接触结构的第二陶瓷热沉材料的特征在于:在用于在陶瓷基板上提供了树脂层的压力接触结构的陶瓷热沉材料中，通过固化在60° C的温度流态化的热固树脂形成所述树脂层。由此，可以避免由于间隙而增大热阻。此外，在形成压力接触结构时，以软树脂层覆盖陶瓷基板表面上的微小凹陷和凸起。从而可以避免由于作用在陶瓷基板表面上的微小凹陷和凸起上的压力而出现裂纹。此外，在形成压力接触结构时，借助压力使软树脂层变形，以便使挤压构件能够与陶瓷基板直接接触，从而可以有效利用陶瓷基板的优异散热特性。
图1是示出根据本发明的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料的实施例的截面图。图2是示出根据本发明的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料的另一个实施例的截面图。图3是示出根据本发明的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料的另一个实施例的截面图。图4是示出压·力接触结构的实例的截面图。图5是示出在由陶瓷基板与挤压构件形成压力接触结构时，在陶瓷基板与挤压构件之间的接触状态的实例的截面图。图6是示出根据本发明的半导体封装的实施例的截面图。图7是示出根据本发明的半导体封装的另一个实施例的截面图。
具体实施例方式根据本发明的实施例的用于压力接触结构的第一陶瓷热沉特征在于:在用于在陶瓷基板上提供了树脂层的压力接触结构的陶瓷热沉材料中，树脂层的计示(肖氏)硬度(A型)为70或更小，存在于陶瓷基板与树脂层之间的界面中的间隙的平均值(高度)是3 μ m或更小。图1、图2和图3是截面图，均示出根据本发明的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料的实例。在图1、图2和图3的每一个中，附图标记I表示用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，附图标记2表示陶瓷基板，附图标记3表示树脂层。至于树脂层3的布置，图1示出了在陶瓷基板2的一个表面上提供树脂层3的类型，图2示出了在陶瓷基板2的两个表面上均提供树脂层3的类型。但是每一种类型都可以采用。仅需在形成压力接触结构时必定与挤压构件紧密接触的表面上提供树脂层3。此夕卜，如图3所示，也可以在整个陶瓷基板2上提供树脂层3，以便甚至包围陶瓷基板2的侧表面。此外，如图4所示，在用于压力接触结构的陶瓷热沉材料I中，仅必须在形成压力接触结构的部分(即在由挤·压构件4和4挤压的部分)分别提供树脂层3和3。此外，当形成压力接触结构时，也可以在陶瓷基板2D中提供诸如螺孔的插入孔12和12，如图6所示。陶瓷基板2不受具体限定，而是包括诸如氧化铝(Al2O3)基板、氮化铝(AlN)基板和氮化硅(Si3N4)基板之类的基板。由于形成压力接触结构，具有300MPa或更大的三点弯曲强度的陶瓷基板是优选的。此外，当将陶瓷基板2用作半导体模块的散(辐射)热基板等时，优选地，陶瓷基板2具有60W/m-K或更大的导热率。具有300MPa或更大的三点弯曲强度和具有60W/m.Κ或更大的导热率的陶瓷基板的实例可以包括氮化铝基板和氮化硅基板。此外，当将高压力施加到陶瓷基板时，具有高强度的陶瓷基板是优选的。这种陶瓷基板的具体实例包括具有600MPa或更大的三点弯曲强度的氮化硅基板。此外，在陶瓷基板上提供具有70或更小的计示(肖氏)硬度(A型)的树脂层。假定借助根据JIS-K-6253的方法来测量计示(肖氏)硬度(A型)，在该方法中，通过在施加压力并持续一秒钟来测量肖氏硬度。将70或更小的计示(肖氏)硬度(A型)描述为“A70或更小”。只要树脂层的肖氏硬度为A70或更小，不具体限定树脂层的肖氏硬度的下限值。然而，优选地，树脂层的肖氏硬度是AlO或更大。更优选地，树脂层的肖氏硬度在A30到A60的范围内。在树脂层的肖氏硬度小于AlO的情况下，树脂层过软，因此会担心在形成压力接触结构时施加到树脂层的压力较大时，树脂层会破裂。不具体限定构成树脂层的树脂，只要固化的树脂具有A70或更小的肖氏硬度，热固树脂、光固化树脂等都可以用作构成树脂层的树脂。然而，优选地，构成树脂层的树脂是热固树脂，其在60° C的温度流态化。在60° C的温度流态化的热固树脂指的是在60° C或更高的温度液化以呈现流动性的糊状树脂。在通过使用在60° C或更高的温度流态化的热固树脂形成压力接触结构时，一旦通过加热到60° C或更高的温度来使糊状树脂流态化，从而以流态化的树脂覆盖陶瓷基板表面上的微小凹陷和凸起。结果，可以将存在于陶瓷基板与树脂层之间的界面中的间隙的平均值进一步减小到I μ m或更小(包括O μ m)。不具体限定树脂的成分，但呈现上述特性的树脂的实例包括相变材料等。此外，根据本发明的用于压力接触结构的第二陶瓷热沉材料特征在于:在用于在陶瓷基板上提供了树脂层的压力接触结构的陶瓷热沉材料中，通过固化在60° C的温度流态化的热固树脂形成树脂层。如下所述，在制造提供有压力接触结构的半导体模块时，也可以通过应用一方法来制造用于压力接触结构的第二陶瓷热沉材料，在所述方法中，在通过使用挤压构件形成的压力接触结构中，借助加热来固化树脂层。此外，最优选地，可以应用用于压力接触结构的第一陶瓷热沉材料的结构和用于压力接触结构的第二陶瓷热沉材料的结构两者，但可以分别应用每一个结构。以如下方式获得存在于陶瓷基板与树脂层之间的界面中的间隙的平均值:在陶瓷热沉材料的任意截面中，观察200 μ m长度的陶瓷基板与树脂层之间的界面，以便获得被观察间隙的最大直径，将获得的最大直径的平均值设定为“间隙平均值”。此外，优选地，树脂层包含无机填料颗粒。树脂具有高绝缘特性，但具有低导热率，因此可以使用借助添加诸如金属粉末和陶瓷粉末之类的无机填料颗粒来改进其导热率的树脂。金属粉末的实例包括C·u粉末、Al粉末等。陶瓷粉末的实例包括AlN粉末、Si3N4粉末、MgO粉末等。特别优选地是使用AlN (氮化铝)粉末，其绝缘特性和导热率都很优异。此外，无机填料颗粒优选地具有树脂层厚度的1/2或更小的颗粒直径，更优选地，具有树脂层厚度的1/5或更小的颗粒直径。在无机填料颗粒的颗粒直径较大的情况下，填料颗粒会从树脂层突出出来，以至于在形成压力接触结构时使得树脂层的粘着特性(紧密接触特性)劣化。此外，优选地，含无机填料颗粒的比率(添加量)在20到60体积％的范围内。当无机填料颗粒的含量小于20体积％时，添加无机填料颗粒的效果较小。当含无机填料颗粒的比率超过60体积％时，无机填料颗粒会从树脂层的表面突出出来，以至于在压力接触操作时使得树脂层的粘着特性劣化。此外，优选地，无机填料颗粒处于粉末状态。无机填料颗粒的实例还包括尖头形的填料，诸如纤维填料和须毛状填料。取决于树脂层的厚度，可以使用诸如纤维填料和须毛状填料的尖头形的填料颗粒。然而，在通过使用尖头形的填料颗粒形成压力接触结构时，以及在使得填料从树脂层的表面突出出来时，会增大填料颗粒对挤压构件和陶瓷基板的表面的不利影响(攻击特性)，从而导致裂纹。因此，优选使用粉末状态的无机填料颗粒。此外，优选地，树脂层的厚度是50 μ m或更小。即使树脂层的厚度超过50 μ m时，也可以使存在于树脂层与陶瓷基板之间的界面中的间隙较小。然而，在树脂层的厚度过大时，树脂层的散热(辐射)特性劣化。因此，树脂层的厚度优选地为50 μ m或更小，更优选地，为30 μ m或更小。此外，树脂层的厚度的下限值不受具体限定，但优选地为5μπι或更大。难以薄薄地涂敷树脂糊胶以具有小于5 μ m的均匀厚度。从制造的观点来看，树脂层的厚度的下限值优选为5μπι或更大，更优选为10 μ m或更大。注意，仅有必要控制在形成压力接触结构的表面上提供的树脂层的厚度。此外，还优选陶瓷基板的表面粗糙度Ra在0.1到5 μ m范围内。为了使得在陶瓷基板表面上提供的树脂层进入陶瓷基板表面上的微小凹陷与凸起之间，陶瓷基板的表面粗糙度Ra优选为5 μ m或更小。另一方面，当陶瓷基板的表面粗糙度Ra小于0.1 μ m时，陶瓷基板的表面过于平坦，因此无法获得足够的锚固作用，以至于树脂层的粘着特性(紧密接触特性)会劣化。此外，根据本发明的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料适合于半导体模块，特别适合于挤压构件与用于压力接触结构的陶瓷热沉材料挤压接触的半导体模块。图4和图5不出了压力接触结构的实例。在图4和图5中，附图标记I表不用于压力接触结构的陶瓷热沉，附图标记4表示挤压构件。此外，附图标记5表示陶瓷基板2与挤压构件4彼此直接接触的部分。图4示出了压力接触结构的实例，其中，由挤压构件4和4挤压并固定用于压力接触结构的陶瓷热沉I的上下表面。当形成压力接触结构以使得陶瓷基板2的其上提供有树脂层3和3的表面如图4所示那样受挤压构件4和4挤压时，由于为根据本发明的用于压力接触结构的陶瓷热沉I提供了具有A70或更小的肖氏硬度的软树脂层，可以如图5所示地形成部分5，挤压构件4的表面与陶瓷基板2的表面在部分5处彼此直接接触。当提供了挤压构件4与陶瓷基板2彼此直接接触所处的部分5时，可以无需经由充当阻热体的树脂层3而在挤压构件4与陶瓷基板2之间传热，因此改进了陶瓷热沉I的散热特性。就是说，可以有效地利用陶瓷基板2的高导热率。此外，优选地，挤压构件4与陶瓷基板2彼此直接接触所处的部分5是点接触部分，其具有Imm或更小的最大直径。随着直接接触部分5的尺寸增大，改进了散热特性。然而，当直接接触部分的尺寸·过大时，就不能抑制由存在于压力接触结构中的陶瓷基板表面上的微小凹陷和凸起引起的裂纹的出现，如在传统技术中那样。就是说，不能获得提供树脂层的效果。为此，点接触部分优选地具有1_或更小的最大直径，更优选地，具有0.5mm或更小的直径,进一步优选地,具有0.0lmm或更小的直径。此外，点接触部分的直径的下限值不受具体限定，但优选地为0.0Olmm或更大(I μ m或更大)。优选地，存在多个点接触部分。当存在具有小直径的多个点接触部分时，就更有可能获得结合了陶瓷基板的优异散热特性的效果和提供树脂层的效果的协同效果。图6和图7均示出了具有压力接触结构的半导体封装的实例。在图6和图7中，附图标记ID和IB均表示用于压力接触结构的陶瓷热沉，附图标记2和2D均表示陶瓷基板，附图标记7表示半导体元件，附图标记8和8A均表示挤压构件，附图标记9和10均表示绝缘间隔体。此外，附图标记11表示散热构件，附图标记12和13均表示插入孔，附图标记14表示紧固构件(螺钉)，附图标记15表示垫圈，附图标记16表示孔部分(螺孔)。此外，图6示出了结构实例，其中，在陶瓷基板2D的一个表面上提供了树脂层3，图7示出了结构实例，其中，在陶瓷基板2的两个表面上都提供了树脂层3和3。如图6所示，半导体模块20包括:用于压力接触结构的陶瓷热沉1D，陶瓷热沉ID提供有插入孔12和12 ;朝向用于压力接触结构的陶瓷热沉ID的树脂层3布置的板状挤压构件8 ;布置在挤压构件8的表面侧上的半导体元件7，该表面侧与用于压力接触结构的陶瓷热沉ID的一侧相反；散热构件(散热片)11，其消散半导体元件7中产生的热量，并且其布置在半导体元件7的表面侧上，该表面侧与挤压构件8的一侧相反；紧固构件(螺钉)14，用于紧固用于压力接触结构的陶瓷热沉ID和散热构件11。此外，将板状绝缘间隔体9插入半导体元件7的一个表面与挤压构件8之间。此夕卜，将板状绝缘间隔体10插入半导体元件7的另一个表面与散热构件11之间。此外，将半导体元件7夹置在绝缘间隔体9与绝缘间隔体10之间。此外，将绝缘间隔体9、半导体元件7和绝缘间隔体10夹置在挤压构件8与散热构件11之间，其中，挤压构件8朝向绝缘间隔体9布置，散热构件11朝向绝缘间隔体10布置。通过使用紧固构件14将用于压力接触结构的陶瓷热沉ID和散热构件11彼此紧固。在此情况下将螺钉用作紧固构件14，但紧固构件14不限于螺钉，只要它可以将用于压力接触结构的陶瓷热沉ID紧固到散热构件11。在图6所示的半导体模块20中，当通过使用紧固构件14将用于压力接触结构的陶瓷热沉ID和散热构件11彼此紧固时，布置在用于压力接触结构的陶瓷热沉ID与散热构件11之间的挤压构件8、绝缘间隔体9、半导体元件7和绝缘间隔体10受压而彼此接触。以此方式，在将紧固构件插入用于压力接触结构的陶瓷热沉ID时，仅有必要使用提供在陶瓷基板2D中的插入孔12和12。注意，挤压构件8是板状构件，其与用于压力接触结构的陶瓷热沉ID的树脂层3接触。例如，将诸如铜板之类的金属板用作挤压构件8。将挤压构件8插入用于压力接触结构的陶瓷热沉ID与诸如绝缘间隔体9的另一个构件之间。当通过使用紧固构件14将用于压力接触结构的陶瓷热沉ID紧固到散热构件11时，使挤压构件8与半导体元件7经由绝缘间隔体9挤压接触。此外,半导·体元件7是单个半导体元件或者多个半导体元件的组件。绝缘间隔体9与绝缘间隔体10分别布置在半导体元件7的上下表面上。例如，使用了诸如陶瓷基板的板状绝缘体作为绝缘间隔体9和10。此外，散热构件11是消散在半导体元件7中产生的热量的构件。在图6中的散热构件11的上部中提供孔部分16，其可以接合充当紧固构件的螺钉14的远端部。例如，使用散热片作为散热构件11。此外，紧固构件14是用于将用于压力接触结构的陶瓷热沉ID紧固到散热构件11的构件。例如，使用螺钉作为紧固构件14。在图6所示的半导体模块20中，以如下方式将用于压力接触结构的陶瓷热沉ID紧固到散热构件11:充当紧固构件的螺钉14的钉体插入到用于压力接触结构的陶瓷热沉ID的插入孔12中，并使得螺钉14的远端部与散热构件11的孔部分16接合。此外，将垫圈15插入螺钉14的头部与用于压力接触结构的陶瓷热沉ID之间。从而在半导体模块20中，布置在用于压力接触结构的陶瓷热沉ID与散热构件11之间的挤压构件8、绝缘间隔体9、半导体元件7和绝缘间隔体10受压而彼此接触。当形成如图6所示的压力接触结构时，使其上提供有具有A70或更小的肖氏硬度的软树脂层3的陶瓷基板2D与挤压构件8的表面强有力地挤压接触。然而，用于压力接触结构的陶瓷热沉ID的软树脂层3覆盖存在于陶瓷基板2D表面上的微小凹陷和凸起，因此可以使用于压力接触结构的陶瓷热沉ID经由树脂层3而与挤压构件8紧密接触。此外，当在压力接触时将压力设定为5MPa或更大时，使软树脂层3变形从而可以使陶瓷基板与挤压构件彼此直接接触。注意，当压力过大时，陶瓷基板会破裂，因此可以将陶瓷基板2D的三点弯曲强度的5%或更小的力设定为压力的度量标准(measure)。在如上所述配置的压力接触结构中，在陶瓷基板2D与树脂层3之间的界面中没有提供间隙，因此可以改进绝缘特性和散热特性。接下来，图7示出了使用用于压力接触结构的陶瓷热沉IB的半导体模块的实例，其中，在陶瓷基板2的两侧上均提供了树脂层3和3。如图7所示，半导体模块30包括:用于压力接触结构的陶瓷热沉1B，其上下两表面上都分别提供了树脂层3和3 ;朝向用于压力接触结构的陶瓷热沉IB的一个表面上所提供的树脂层3布置的板状挤压构件8A ;朝向用于压力接触结构的陶瓷热沉IB的另一个表面上所提供的树脂层3布置的半导体元件7 ;散热构件11，其消散半导体元件7中产生的热量，并且其布置在半导体元件7的表面侧上，该表面侧与用于压力接触结构的陶瓷热沉IB的一侧相反；及紧固构件14，用于将挤压构件8A紧固到散热构件11。将板状绝缘间隔体9插入半导体元件7的一个表面与挤压构件8A之间。此外，将板状绝缘间隔体10插入半导体元件7的另一个表面与散热构件11之间。将半导体元件7夹置在绝缘间隔体9与绝缘间隔体10之间。此外,将绝缘间隔体9、半导体元件7和绝缘间隔体10夹置在用于压力接触结构的陶瓷热沉IB与散热构件11之间，其中，用于压力接触结构的陶瓷热沉IB朝向绝缘间隔体9布置，散热构件11朝向绝缘间隔体10布置。通过使用·紧固构件14将挤压构件8A与散热构件11彼此紧固。在图7所示的半导体模块30中，通过使用紧固构件14将挤压构件8A紧固到散热构件11，而使得布置在挤压构件8A与散热构件11之间的用于压力接触结构的陶瓷热沉1B、绝缘间隔体9、半导体元件7和绝缘间隔体10受压而彼此接触。此外，如图7所示的半导体模块30与图6所示的半导体模块20的不同之处在于:使用提供有插入孔12的挤压构件8A来代替用于压力接触结构的陶瓷热沉1D，以及使用在其上下表面中的每一个上都提供有树脂层3的用于压力接触结构的陶瓷热沉IB来代替挤压构件8。图7所示的半导体模块30的其它部分与图6所示的半导体模块20的其它部分相同。因此图7中所示的半导体模块30和图6中所示的半导体模块20 二者所共有的部件由相同的附图标记和字符来表示，省略或简化了对每一个这种部件的结构和操作的详细说明。此外，没有具体限定插入孔13的形状和尺寸，只要诸如螺钉之类的紧固构件14可以插入到插入孔13中或与之接合即可。此外，也没有具体限定在挤压构件8A中提供的插入孔13的位置和数量。当通过使用紧固构件14将挤压构件8A紧固到散热构件11时，使得挤压构件8A经由用于压力接触结构的陶瓷热沉IB挤压诸如绝缘间隔体9的其他构件。紧固构件14是将挤压构件8A紧固到散热构件11的构件。例如，将螺钉用作紧固构件14。在图7所示的半导体模块30中，以如下方式将用于压力接触结构的陶瓷热沉IB紧固到散热构件11:将充当紧固构件的螺钉14的钉体插入到垫圈15和挤压构件8A的插入孔13中，使螺钉14的远端部与散热构件11的孔部分16接合。此外，将垫圈15插入到螺钉14的头部与挤压构件8A之间。由于以上的压力接触结构，在半导体模块30中，通过如上所述那样配置的压力接触结构使得布置在挤压构件8A与散热构件11之间的用于压力接触结构的陶瓷热沉1B、绝缘间隔体9、半导体元件7和绝缘间隔体10受压而彼此接触。此时，使在用于压力接触结构的陶瓷热沉IB的一个表面上提供的树脂层3强有力地与挤压构件8A的表面挤压接触，且使在用于压力接触结构的陶瓷热沉IB的另一个表面上提供的树脂层3也强有力地与绝缘间隔体9的表面挤压接触。然而，用于压力接触结构的陶瓷热沉IB上的软树脂层3覆盖存在于陶瓷基板表面上的微小凹陷和凸起，因此陶瓷基板可以经由树脂层3而与挤压构件8A和绝缘间隔体9中的每一个都彼此紧密接触。此外，当在压力接触时将压力设定为5MPa或更大时，使软树脂层变形以使得陶瓷基板与挤压构件可以彼此直接接触。注意，当压力过大时，陶瓷基板会破裂，因此可以将陶瓷基板的三点弯曲强度的5%或更小的力设定为压力的度量标准。在如上所述配置的压力接触结构中，在陶瓷基板与树脂层之间的界面中没有提供间隙，因此可以有效地改进绝缘特性和散热特性。注意，在图6和图7中所示的半导体模块中示出了用螺钉固定的实例，但用于根据本发明的半导体模块中的紧固构件不限于螺钉。作为除了螺钉以外的紧固构件，可以使用诸如夹钳的紧固构件，所述夹钳将散热构件11和用于压力接触结构的陶瓷热沉夹置在其间，或者其将散热构件11和挤压构件夹置在其间。当以此方式将夹钳用作紧固构件时，在用于压力接触结构的陶瓷热沉和挤压构件中无需提供插入孔。此外，在根据本发·明的半导体模块中，可以消散在半导体模块中产生的热量的构件也可以用作除了散热片以外的散热构件。例如，散热板等可以用作散热构件。当以此方式将散热板用作散热构件时，可以以如下方式形成具有压力接触结构的半导体模块:使用例如充当紧固构件的夹钳将散热板和用于压力接触结构的陶瓷热沉夹置在其间，或者使用例如夹钳将散热板和挤压构件夹置在其间。在此情况下，在用于压力接触结构的陶瓷热沉和挤压构件中无需提供插入孔。此外，图6和图7中所示的半导体模块20和30是根据本发明的半导体模块的实例。根据本发明的半导体模块包括其中使用半导体元件和其中提供了树脂层的陶瓷基板和挤压构件可以彼此挤压接触的所有结构。尽管以上说明了根据本发明的一些实施例，但这些实施例是作为实例而提出的，并非旨在限制本发明的范围。可以以其他多种形式来实现这些创新实施例，并且在不脱离本发明的本质的范围内可以进行各种省略、交换和改变。这些实施例及其变形包括在本发明的范围和本质内，并包括在权利要求及其等价范围中所描述的本发明中。接下来，将说明根据本发明的用于制造用于压力接触结构的陶瓷热沉的方法。没有具体限定根据本发明的用于制造用于压力接触结构的陶瓷热沉的方法，但包括以下方法作为根据本发明的用于有效地制造用于压力接触结构的陶瓷热沉的方法。首先，制备陶瓷基板。优选地，陶瓷基板具有500MPa或更大的三点弯曲强度，60W/m.K或更大的导热率。优选地，具有这些特性的陶瓷基板的厚度在0.2到1.0mm范围内。当陶瓷基板的厚度小于0.2mm时，陶瓷基板在形成压力接触结构时会破裂。另一方面，当陶瓷基板的厚度超过1.0mm时，陶瓷基板自身会充当阻热体，以至于使得其散热特性劣化。此外，优选地，陶瓷基板的表面粗糙度在0.1到5μπι范围内(按照Ra标准)。因此，按需要进行诸如珩磨的抛光处理。换句话说，只要陶瓷基板的作为烧结表面的表面粗糙度Ra在0.1到5 μ m范围内，就不必特别进行抛光处理。接下来，制备用作树脂层的树脂糊胶。当将无机填料颗粒添加到树脂层时，将无机填料颗粒添加到树脂糊胶。无机填料颗粒的平均颗粒直径优选地为要形成的树脂层的厚度的1/2或更小，更优选地，为要形成的树脂层的厚度的1/5或更小。通过将树脂糊胶涂覆(覆盖)到陶瓷基板上并固化所涂覆的树脂糊胶来形成树脂层。当由热固树脂来制造树脂时，通过加热来固化树脂糊胶，而当由紫外线固化树脂来制造树脂时，通过以紫外线辐射来固化树脂糊胶。此外，当构成树脂层的树脂是在60° C的温度流态化的热固树脂时，就照原样保留树脂糊胶，以便自然干燥。在任意这些情况下，使用在固化后具有A70或更小的肖氏硬度的树脂。此外，树脂膜可以用作树脂层，只要树脂膜具有A70或更小的肖氏硬度即可，可以通过热压接合在陶瓷基板的表面上提供树脂膜。此外，当通过形成压力接触结构来制造半导体模块时，用于压力接触结构的陶瓷热沉由挤压构件挤压，从而被夹置在挤压构件与另一个构件之间。此外，当将在60° C或更高的温度流态化的热固树脂用作树脂层时，以如下方式形成压力接触结构:在陶瓷基板上形成在60° C或更高的温度流态化的热固树脂层，随后通过对该热固树脂层进行热处理来将其固化。在这个方法中，由于树·脂层一旦被流态化并随后固化，可以将树脂层填充到挤压构件与陶瓷基板之间的间隙中，因此也可以消除存在于陶瓷基板与树脂层之间的界面中的间隙。此外，当在半导体模块的装配过程中在真空中执行这个处理时，也可以消除在树脂层与接触构件之间的间隙。[实例](实例I到9与比较例I)制备具有50mm长度、50mm宽度和0.32mm厚度的氮化硅基板(90W/m.K的导热率和600MPa的三点弯曲强度)作为陶瓷基板。接下来，使用金刚石砂轮通过诸如珩磨和抛光的表面处理改变氮化娃基板的表面粗糙度Ra。在以此方式表面处理的氮化娃基板的每一个表面上形成硬化后具有A70或更小的肖氏硬度的硅酮树脂层，从而制备根据每一个实例的用于压力接触结构的陶瓷热沉。此外，为比较例I制备除了提供有具有AlOO的肖氏硬度的树脂层以外，具有与实例I相同结构的用于压力接触结构的陶瓷热沉。为根据每一个实例和比较例的用于压力接触结构的陶瓷热沉获得存在于陶瓷基板与树脂层之间的界面中的间隙(空隙)的平均值。在间隙的平均值的测量方法中，观察长度200μπι的在陶瓷基板与树脂层之间的任意界面，获得界面中观察到的间隙中的最大直径。随后，将所获得的间隙的最大直径的平均值设定为“间隙的平均值”。以下的表I中示出了测量结果。[表I]
权利要求
1.一种用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，该陶瓷热沉材料通过在陶瓷基板上提供树脂层而配置，其中，所述树脂层具有70或更小的计示(肖氏)硬度(A型)，并且存在于所述陶瓷基板与所述树脂层之间的界面中的间隙的平均值是3 μ m或更小。
2.根据权利要求1所述的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，其中，通过固化热固树脂来形成所述树脂层，所述热固树脂在60° C的温度流态化。
3.一种用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，该陶瓷热沉材料通过在陶瓷基板上提供树脂层而配置，其中，通过固化热固树脂形成所述树脂层，所述热固树脂在60° C的温度流态化。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，其中，所述树脂层包含无机填料颗粒。
5.根据权利要求1至权利要求4中的任意一项所述的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，其中，所述树脂层具有10或更大的计示(肖氏)硬度(A型)。
6.根据权利要求1至权利要求5中的任意一项所述的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，其中，所述陶瓷基板是氮化硅基板、氧化铝基板和氮化铝基板中的任意一种。
7.根据权利要求1至权利要求6中的任意一项所述的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，其中，所述树脂层的厚度是50 μ m或更小。
8.根据权利要求1至权利要 求7中的任意一项所述的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，其中，所述陶瓷基板的表面粗糙度Ra在0.1到5 μ m的范围内。
9.一种半导体模块，其中，挤压构件与根据权利要求1至权利要求8中的任意一项所述的用于压力接触结构的陶瓷热沉材料挤压接触。
10.根据权利要求9所述的半导体模块，其中，在通过使用所述挤压构件形成压力接触结构时，形成所述挤压构件的表面与所述陶瓷基板的表面直接接触所处的部分。
11.根据权利要求10所述的半导体模块，其中，所述挤压构件的表面与所述陶瓷基板的表面直接接触所处的所述部分是点接触部分，该点接触部分具有Irnm或更小的最大直径。
12.根据权利要求11所述的半导体模块，其中，存在多个所述点接触部分。
13.一种用于制造半导体模块的方法，所述半导体模块具有挤压构件与用于压力接触结构的陶瓷热沉材料挤压接触的结构，所述方法包括: 制备用于压力接触结构的所述陶瓷热沉材料，其中，在陶瓷基板上提供具有70或更小的计示(肖氏)硬度(A型)的树脂层，并且其中，存在于所述陶瓷基板与所述树脂层之间的界面中的间隙的平均值是3 μ m或更小；以及 利用压力使所述挤压构件与用于压力接触结构的陶瓷热沉材料挤压接触，所述压力导致形成所述挤压构件的表面与所述陶瓷基板的表面直接接触所处的部分。
14.一种用于制造半导体模块的方法，所述半导体模块具有挤压构件与用于压力接触结构的陶瓷热沉材料挤压接触的结构，所述方法包括: 通过在陶瓷基板上形成热固树脂层来产生用于压力接触结构的所述陶瓷热沉材料的过程，其中，所述热固树脂层在60° C的温度流态化； 用于使所述挤压构件与用于压力接触结构的所述陶瓷热沉材料挤压接触的挤压接触过程；以及固化过程，其中，通过将在60° C的温度流态化的所述热固树脂层加热到60° C或更高的温度而固化所述热固树脂层。
15.根据权利要求14所述的用于制造半导体模块的方法，其中，形成所述挤压构件的表面与所述陶瓷 基板的表面直接接触所处的部分。
全文摘要
本发明提供了一种用于压力接触结构的陶瓷热沉材料，该陶瓷热沉材料通过在陶瓷基板上提供树脂层而配置，其中，所述树脂层具有70或更小的计示(肖氏)硬度(A型)，并且存在于所述陶瓷基板与所述树脂层之间的界面中的间隙的平均值是3μm或更小。此外，优选地，通过固化热固树脂来形成所述树脂层，所述热固树脂在60°C的温度流态化。由于以上结构，可以获得陶瓷热沉和使用热沉的半导体模块，其具有相对于挤压构件的良好的紧密接触特性。
文档编号H01L23/34GK103222047SQ20118005590
公开日2013年7月24日 申请日期2011年11月17日 优先权日2010年11月22日
发明者宫下公哉 申请人:株式会社东芝, 东芝高新材料公司