CN100570866C - 接线板 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的之一是提供一种具有优良散热性和低成本、并且可通过若干步骤制造出的接线板。在其中通过将金属箔粘贴到绝缘板上而形成电路图案的接线板中，通过由冷喷涂处理而在该电路图案的顶部进一步层积金属材料而增加厚度来形成组合电路图案。因此，即便是功率半导体安装在该组合电路图案上，同时厚度增加，但由其损耗所产生的热量可由该组合电路图案扩散，藉此可使得热阻抗减少，并且有可能构建一接线板，该接线板较之没有该组合电路图案的常规接线板，具有优良的散热性，并且热阻抗大幅减小。

Description

接线板
背景技术
发明领域
本发明涉及接线板，特别是能够应用到工业用电源装备的优良散热属性的接线板。
相关技术
在电源设备中使用的半导体模块可应用到广泛的范围中，从诸如家用空调或冰箱的家用装备，到诸如逆变器或伺服控制器的工业装备。具体地，具有优良散热属性的金属基底接线板或陶瓷接线板，例如用在结合功率半导体的IGBT模块(绝缘栅极双极型晶体管)中(由于它们产生大量的热量)。
图3是示出常规金属基体接线板的横截面构造的视图。
金属基底接线板具有包括基底金属101、在该基底金属顶部形成的绝缘层102、以及在该绝缘层102顶部形成的电路图案103的上层结构。对于基底金属101，使用诸如铝片或铜片的优良散热属性的金属。绝缘层102包括，例如包含有诸如SiO2、Al2O3或AlN的无机填料的环氧树脂。
对于电路图案103，通常使用铜箔，有时也使用铝箔。作为铜箔，通常使用厚度约为35μm到140μm的铜箔。用湿法腐蚀将该铜箔经处理以形成预定的电路图案。在电流容量很小，大约为10A并且几乎不产生热量的功率半导体的情形中，功率半导体可通过焊接直接安装在该电路图案103上。在大电流容量的功率半导体的情形中，为了通过将该电路图案103上的热量发散来减少热阻抗，铜箔的厚度增加到大约140μm。如果140μm不够，还可以使用更厚的铜箔，例如厚度为200μm或250μm厚度的铜箔。此外，如果电路图案103的厚度超过1mm，例如如果使用3到4mm的厚度，则展示出了热发散效应，从而使得功率半导体中产生热量在横向上发散，并且藉此极大地减少了热阻抗。
在金属基底接线板中所用的绝缘层102需要有优良的绝缘可靠性和散热属性。此外，绝缘层102需要有优良的应力减缓属性、抗湿性和耐热能力等；已知有适于这些方面的树脂组分(例如参见已公开日本专利申请号2002-12653、已公开日本专利申请号2002-76549或已公开日本专利申请号2002-114836)。在该方式下，通过将电路图案103和基底金属101接合，同时优良散热属性的绝缘层102介入其间，金属基底接线板用作为接线板，其上安装有产生大量热量的诸如功率半导体的元件。
但是，在包含有SiO2、Al2O3或AlN的无机填料的环氧树脂的情形中，在填料内容物上有限制，从而该材料的热传导系数通常为7到10W/m.K。因此在使用这些填料的功率半导体模块的电流容量上也有限制：当前它们仅可在50A量级的模块中使用。
相应的，在超过50A的较大容量的功率半导体模块的情形中，使用陶瓷接线板，它较之金属基底接线板，具有较高的绝缘层热传导率。
图4是示出常规陶瓷接线板的横截面结构的视图，(a)示出陶瓷接线板和(b)示出基底金属接合其上的陶瓷接线板。
通过将电路图案103粘到陶瓷绝缘板104的两侧上来构建陶瓷接线板。通过将原料粉末与黏合剂揉制一起以生产片状的绝缘板来制造出陶瓷绝缘板104，称为“印刷电路基板”。并将其在高温下烤制。在这之后，通过将电路图案103的铜箔或铝箔在高温下接合其上来制成接线板。此外，该陶瓷接线板通常通过焊接层105的方式被接合到由厚度约为2mm到3mm的铜片构成的基底金属101上。
例如，Al2O3、AlN或Si3N4用作为陶瓷绝缘板104的原料。该陶瓷绝缘板104的热传导率，在原料是Al2O3的情形下约为20W/m.K，在原料是AlN的情形下约为60到180W/m.K，在原料是Si3N4的情形下约为80W/m.K：即它的热传导率比无机填料掺入环氧树脂中的情形要高一到两个数量级。
但是，在金属基底接线板的情形中，热阻抗减少了，因此，如果使用厚铜箔，处理电路图案层的蚀刻处理所需的时间随着厚度按比例增加；藉此处理成本大幅增加，从而产生整体成本大幅增加的问题。此外，如果电路图案层的厚度达到3到4mm，使铜熔化需要很常一段时间，此外，不能高精度地实现电路图案层边缘的蚀刻，从而蚀刻处理本身不可行。
另外一个问题是，在陶瓷接线板的情形中，许多步骤是必需的，涉及到首先制造出陶瓷绝缘板，将其与电路图案接合，进行蚀刻处理，并通过焊接将以该方式制造出的陶瓷接线板与基底金属接合，从而价格增加，并且要实现价格降低很困难。此外，在陶瓷接线板的情形中，不可能将电路图案的铜箔做到很厚。虽然可粘贴厚铜箔或铜片以增加热量分散效应，但铜片必需在1000℃或更高的温度下与陶瓷绝缘片相接合，因此，如果两者的厚度不一致，由于在热膨胀系数上的差异，在冷却中就会由于双金属效应而出现扭曲。并且，如上所述，如果铜箔或铜片做得很厚，则蚀刻处理的成本大幅增加，因此，通常实际上使用具有厚度不超过0.6mm的电路图案的陶瓷接线板。
本发明的目的之一是提供一种可以若干步骤制造出的、低成本和优良热量发散性能的接线板。
发明内容
根据本发明，为了解决上述问题，一种接线板，其中通过将金属箔粘贴到绝缘片上、并将该金属箔处理而形成有电路图案的接线板的特征在于，在电路图案的顶部提供有组合(built-up)电路图案，通过由冷喷涂将金属材料层压在电路图案的顶部来增加厚度而形成该组合电路图案。
由于该接线板，在金属箔的电路图案的顶部上形成有更大厚度的组合金属图案。在该方式中，当功率半导体安装在该厚度组合电路图案上时，由其中损耗所产生的热量通过厚度组合图案发散，从而热阻抗可减小，就有可能构建具有极小热阻抗的优良散热性的接线板。
同时，根据本发明，包括组合电路图案的接线板是一种接合到金属片上的金属基底接线板，其中绝缘片由填充有无机填料的树脂所制成。
此外，根据本发明，包括组合电路图案的接线板是一种陶瓷接线板，其中绝缘片由陶瓷绝缘片制成，同时金属箔粘合在其两侧上，并且陶瓷绝缘层的原料是SiO2、Al2O3、AlN或Si3N4其中之一。
由于在根据本发明的接线板中，箔的电路图案可以形成为部分地较厚，当功率半导体安装在该厚度电路图案上时，由其损耗所产生的热量可通过厚度电路图案发散，从而热阻抗可减小，具备了优势：可轻易地且低成本地制造出优良散热性的、以及较之常规金属基底接线板或陶瓷接线板具有小得多的热阻抗的接线板。
附图说明
图1示出制造根据本发明的接线板的工艺，以及完整的功率半导体模块的状态，(a)示出金属基底接线板，(b)示出使用冷喷涂处理来形成组合电路图案的步骤，(c)示出其中形成有组合电路图案的状态，以及(d)示出功率半导体模块，其中功率半导体是安装在组合电路图案上；
图2是考虑到组合电路图案厚度的图表；
图3是示出常规金属基底接线衬底的横截面结构的视图；以及
图4是示出常规陶瓷接线板的横截面结构的视图，(a)示出陶瓷接线板并且(b)示出其中接合有基底金属的陶瓷接线板。
具体实施方式
下文将结合附图对本发明一实施例进行详细地描述，在附图中本发明应用为一示例，其中金属箔粘合在绝缘层上，并且通过处理该金属箔，金属基底印刷接线板形成有预定的电路图案。
图1示出制造根据本发明的接线板的工艺，以及完整的功率半导体模块的状态，(a)示出金属基底接线板，(b)示出使用冷喷涂处理来形成组合电路图案的步骤，(c)示出其中形成有组合电路图案的状态，以及(d)示出功率半导体模块，其中功率半导体是安装在组合电路图案上。
如图1(a)所示，金属基底接线板是三层结构，该结构是通过将包含有无机填料的绝缘层2设置在基底金属1上，并将电路图案3粘合其上而组成的。
作为电路图案3，通常使用铜箔。也可将铝箔代替铜箔来用作该电路图案3。粘合在绝缘层2上的铜箔通过湿法蚀刻被处理成预定的图案，以制成电路图案3。作为铜箔，通常可使用厚度为35μm到140μm的标准产品。同时，虽然电路图案3的图案厚度是由电路的电流容量所确定，但考虑到蚀刻处理的成本，铜箔的厚度是越薄越好。
如上述而形成的金属基底接线板是与常规的金属基底接线板相同的，但是，在根据本发明接线板的情形中，仅在预期散热性要提高的电路图案3的区域中，其厚度局部地增加了。具体地，如图1(b)所示，在对应于厚度要预期增加的区域的形状中形成有孔的掩模4被安置在电路图案3上，并且通过冷喷涂处理将金属粉末在常温下以超音速从上面喷涂其上，藉此在电路图案3上层积成一层金属粉末：在该方式中，形成了在图1(c)中所示的组合电路图案5。
将给出有关冷喷涂处理的描述。冷喷涂被认为是一类喷涂镀层技术：在低于喷涂镀层材料的熔点或软化温度的温度下将气体用作产生超音速的气流；通过将喷涂镀层材料的微粒注入到该气流中来使其加速，并通过用这些仍然处在固态的微粒冲击衬底来形成镀层。冷喷涂处理的特性特征是用作加热/加速喷涂镀层微粒的工作气体的温度要大大低于在例如常规等离子喷涂镀层方法、焰火喷涂镀层方法或高速焰火喷涂镀层方法的情形中的温度。对于等离子喷涂镀层等处理，2000到8000℃的高工作气体温度是必需的，但是，在冷喷涂的情形中，可使用大约600℃左右的常规温度的工作气体。虽然喷涂镀层材料微粒仍然在固态时以高速撞击衬底，同时无需高度加热，当达到临界速度时，由于冲击的能量，衬底会产生塑性形变，并产生喷涂镀敷材料微粒，从而形成镀层。结果，对比其它的喷涂镀层方法，由于热量所导致的喷涂镀层材料的氧化或热变性可以降到最小。
在冷喷涂设备中，来自诸如汽缸的高压气体被分流到粉末提供设备以及气体加热器。对于该高压气体，通过使组成主流的工作气体在提供给喷涂镀层枪(在此气体通过超音速喷嘴加速并喷涂)之前，流经由例如电炉直接或间接加热的线圈外形的气体管，从而气体的温度上升。
同时，一部分工作气体分流到粉末提供装置，在此它用作为载体气体，并且连同喷涂镀层粉末一同流入到喷涂镀层枪的后面。在某些情形中，无需执行加热工作气体，但是加热的优势在于，加热使得使用更高速的微粒速度成为可能，并且有助于微粒塑性形变的产生。空气、氦或氮可以用作该气体。
作为喷涂到电路图案3上的喷涂镀层材料，可使用微粒尺寸1到50μm的金属材料。作为该微粒材料，例如可使用铜、铝、铁、钛、钼或镍。对于接线板，通常使用铜或铝。通过使喷涂镀层材料以500到900m/s的速度经由相隔10到50mm距离的掩模4，而冲击在电路图案3上，来使其淀积：组合电路图案5藉此形成在电路图案3上，如图1(c)所示。为了达到组合电路图案5的必要厚度，要在一段预定的时间内执行用喷涂镀层材料冲击。设置组合电路图案5的厚度时考虑到了由功率半导体所产生的损耗。虽然这取决于所产生的损耗的量，但是有效的组合电路图案5的厚度大约为0.5到5mm。
通过如上所述的制造步骤来制造出三层结构的金属基底接线板(其中组合电路图案5与铜箔直接接合)。在这之后，功率半导体6安装在通过冷喷涂而淀积的电路图案5上。功率半导体6通常通过基于SnPb的焊料或基于SnAgCu的焊料而接合到组合电路图案5上。
最后，为了实现与外部电路连接，使用配线7对功率半导体6执行必要的接线，来制造出如图1(d)所示的功率半导体模块。在诸如功率半导体6的大电流容量半导体元件的情形中，铝线通常用作为配线7。
要注意，虽然通过冷喷涂而构成的组合电流图案5仅形成在电流图案3的一部分(在此安装了半导体6，对于它散热是必需的)中，但是在整个的电路图案3上可形成该组合电路图案5。
同时，无论使用了通过冷喷涂而淀积的铜材料或者其它材料，都可以获得材料本身所具备的热传导性。
此外，在该情形中，作为接线板的一实施例，描述了金属基底接线板的情形，但是，即使在如图4所示的陶瓷接线板的情形中，通过相同的制造方法，组合电路图案可形成在电路图案103的安装有功率半导体的一侧上。
其次，还描述了通过冷喷涂淀积在电路图案3上的组合电路图案5的厚度的最优化。
图2是考虑到组合电路图案厚度的图表。
从功率半导体6中产生的热流具有通常以45度倾斜角扩散并散开的属性。如果因此功率半导体6的芯片边缘到组合电路图案5的芯片边缘的距离a等于电路图案3和组合电路图案5的厚度总和b，则热扩散效率表现为最大，就有可能大幅减少热阻抗。藉此，考虑到功率半导体6的尺寸，在电路图案3和组合电路图案5的宽度上无需无用的增加，并且在组合电路图案5的厚度上无需无用的增加。
同时，由于上述的组合电路图案5的宽度和厚度的关系，从安装的功率半导体6的边缘到组合电路图案5的边缘的距离a，以及电路图案3和组合电路图案5的厚度总和b的最佳比率为1，只要该比率在0.8到1.2的范围内，就可获得基本上良好的热扩散效果。如果该比率小于0.8，在某些情形中，就不能实现足够的热扩散，并且如果该比率超过1.2，该效果已经饱和。
在上述的实施例中，对情形(其中本发明应用到通过将诸如铜的金属箔粘贴到绝缘层或陶瓷绝缘板上、并处理该金属箔而形成具有预定电路图案的印刷接线板)给出了详细的描述，但是本发明还可应用到引线框电路图案的厚度调节中。

Claims (7)

1.一种接线板，其中通过将金属箔粘贴到绝缘板上并处理所述金属箔来形成电路图案，其特征在于，
通过由冷喷涂处理来层积金属材料而形成的组合电路图案置于所述电路图案之上，
在通过所述冷喷涂法而层积的所述组合电路图案中，其从所安装半导体芯片的边缘部到图案边缘的距离与所述电路图案和所述组合电路图案的总厚度的比率在0.8到1.2的范围内。
2.如权利要求1所述的接线板，其特征在于，所述绝缘板是接合到金属板的、包括填充有无机填料的树脂的金属基底接线板。
3.如权利要求1所述的接线板，其特征在于，所述绝缘板是包括具有金属箔粘贴在其两侧上的陶瓷绝缘板的陶瓷接线板，并且所述陶瓷绝缘板的原料从Al2O3、AlN或Si3N4中选择一种。
4.如权利要求1所述的接线板，层积在所述电路图案之上的所述金属材料从铜、铝、铁、钛、钼、和镍中选择一种。
5.如权利要求1所述的接线板，其特征在于，通过所述冷喷涂处理而层积的所述组合电路图案至少形成在安装有产生热量半导体组件的图案上。
6.如权利要求1所述的接线板，其特征在于，通过所述冷喷涂处理而层积的所述组合电路图案和所述电路图案的厚度之和上等于从所安装半导体芯片的边缘到图案边缘的距离。
7.一种半导体设备，其中电路图案通过将金属箔粘贴到绝缘板上并处理所述金属箔形成，一半导体元件安装在所述电路图案上，其特征在于，
所述电路图案的至少一个安装有半导体元件的区域具有通过冷喷涂处理层积金属材料而构成的厚度，
在通过所述冷喷涂法而层积的组合电路图案中，其从所安装半导体芯片的边缘到图案边缘的距离与所述电路图案和所述组合电路图案的总厚度的比率在0.8到1.2的范围内。
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