CN115315802A - 绝缘电路基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的绝缘电路基板的制造方法具有：金属片配置工序，将金属片以电路图案状配置在成为绝缘树脂层的树脂材的上方；及接合工序，通过至少在层叠方向对所述树脂材和所述金属片进行加压并加热，从而接合所述绝缘树脂层和所述金属片，在所述接合工序中，在层叠方向加压所述金属片和所述树脂材的夹具具备配置在所述金属片侧的缓冲材和配置在与所述缓冲材的周缘部对置的位置的引导壁部，并在加压时，使所述缓冲材的周缘部和所述引导壁部接触。

Description

绝缘电路基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种绝缘电路基板的制造方法，该绝缘电路基板具备绝缘树脂层和电路层，所述电路层由以电路图案状配设于该绝缘树脂层的一面的金属片构成。
本申请基于2020年3月25日在日本申请的专利申请2020-053650号要求优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
功率模块、LED模块及热电模块设为如下结构：在绝缘层的一面上形成有由导电材料构成的电路层的绝缘电路基板上，接合了功率半导体元件、LED元件及热电元件。
作为上述绝缘电路基板，例如提出有专利文献1中所记载的金属基电路基板。
在专利文献1中所记载的金属基电路基板中，在金属基板上形成有绝缘树脂层，在该绝缘树脂层上形成有具有电路图案的电路层。在此，绝缘树脂层由作为热固型树脂的环氧树脂构成，电路层由铜箔构成。
在该金属基电路基板中，设为如下结构：在电路层上接合有半导体元件，金属基板的与绝缘树脂层相反的一侧的面上配设有散热器，将在半导体元件中产生的热传递到散热器侧进行散热。
然后，在专利文献1中所记载的金属基电路基板中，通过对配设于绝缘树脂层上的铜箔进行蚀刻处理而形成电路图案。
最近，对搭载于电路层上的半导体元件通电的电流趋于变大，随之，来自半导体元件的发热量也变大。因此，为了确保导电性及导热性，要求加厚电路层。在此，在加厚了电路层的情况下，若如专利文献1中所记载那样通过蚀刻处理形成电路图案，则在电路层的端面上产生塌边，电场集中在电路层的端面，有可能导致绝缘性降低。
因此，在专利文献2中，作为在不实施蚀刻处理的情况下形成电路层的方法，提出了预先将赋予所期望形状的冲孔金属片接合于陶瓷基板的技术。根据该方法，即使加厚电路层，也不会在金属片的端面上产生塌边，能够确保电路图案之间的绝缘性，也能减小电路图案之间的距离。
在该专利文献2中，将陶瓷基板用作绝缘层，并通过将金属片在层叠方向上对该陶瓷基板进行加压而接合金属片与陶瓷基板。
专利文献1：日本特开2015-207666号公报
专利文献2：日本特开平09-135057号公报
然而，在专利文献2中，在用由热固型树脂构成的绝缘树脂层来构成绝缘层的情况下，在固化前的树脂组合物上配置金属片，并通过对金属片在层叠方向上进行加压并加热，由此使树脂组合物固化而构成绝缘树脂层，并且使绝缘树脂层与金属片接合。在此，在加厚了电路层的情况下，在配置有金属片的区域中树脂组合物充分地被加压，然而在未配置有金属片的区域中树脂组合物的加压不充分，在绝缘树脂层的内部生成大量的孔隙，有可能无法确保绝缘树脂层的绝缘性。因此，在使用了绝缘树脂层的绝缘电路基板中，难以高精度地形成较厚的电路层。
因此，一般考虑在由热固化树脂构成的树脂组合物的一面上将金属片配置成电路图案状，在金属片侧配置橡胶状弹性体，在层叠方向加压及加热树脂组合物和金属片，使所述树脂组合物固化而形成所述绝缘树脂层，并且接合所述绝缘树脂层和所述金属片。
但是，在金属片侧配置橡胶状弹性体并在层叠方向加压树脂组合物和金属片的情况下，可能会存在如下的问题：即，当由橡胶状弹性体按压金属片时，橡胶状弹性体的周缘部通过加压而变形为朝外侧扩展，使得金属片朝着向外侧扩展的方向偏移，或无法充分地加压相当于橡胶状弹性体的周缘部的区域，从而产生金属片的接合不良或绝缘树脂层的破裂等。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供即使将金属片在树脂材的上方配置成电路图案状的情况下，也能够均匀地加压树脂材整体，能够使绝缘树脂层和金属片可靠地接合的绝缘电路基板的制造方法。
为了解决上述课题，本发明的绝缘电路基板的制造方法中，该绝缘电路基板具备：绝缘树脂层；及电路层，由以电路图案状配设于所述绝缘树脂层的一面的金属片构成，所述绝缘电路基板的制造方法的特征在于，具有：金属片配置工序，将所述金属片以电路图案状配置在成为所述绝缘树脂层的树脂材的上方；及接合工序，通过至少在层叠方向加压所述树脂材和所述金属片进行加压并加热，从而接合所述绝缘树脂层和所述金属片，在所述接合工序中，在层叠方向加压所述金属片和所述树脂材的加压夹具具备配置在所述金属片侧的缓冲材和配置在与所述缓冲材的周缘部对置的位置的引导壁部，并在加压时，使所述缓冲材的周缘部和所述引导壁部接触。
根据该结构的绝缘电路基板的制造方法，由于在所述接合工序中，在层叠方向加压所述金属片和所述树脂材的加压夹具具备配置在所述金属片侧的缓冲材和配置在与所述缓冲材的周缘部对置的位置的引导壁部，并在加压时，使所述缓冲材的周缘部和所述引导壁部接触，因此在所述接合工序中，通过引导壁部抑制所述缓冲材的周缘部突出至外侧，能够在配置有金属片的区域、没有配置金属片的区域、以及相当于缓冲材的周缘部的区域中都充分地加压树脂材，从而能够牢固地接合金属片和绝缘树脂层。
另外，所述缓冲材的周缘部和所述引导壁部的接触至少在加压时接触即可，也可以从加压前就接触。并且，在使所述缓冲材的周缘部和所述引导壁部接触时，所述缓冲材的周缘部的下表面侧可以与所述引导壁部接触，所述缓冲材的周缘部的侧面侧可以与所述引导壁部接触。
在此，在本发明的绝缘电路基板的制造方法中，优选所述引导壁部的硬度大于所述缓冲材的硬度。
在此情况下，由于所述引导壁部的硬度大于所述缓冲材的硬度，因此能够可靠地抑制在加压时所述缓冲材的周缘部的变形。
并且，在本发明的绝缘电路基板的制造方法中，优选所述引导壁部配置在所述加压夹具的所述树脂材侧。
在此情况下，由于所述引导壁部配置在所述加压夹具的所述树脂材侧，因此在加压时能够使引导壁部可靠地接触于被配设在金属片侧的缓冲材的周缘部，从而能够可靠地抑制在加压时所述缓冲材的周缘部的变形。
此外，在本发明的绝缘电路基板的制造方法中，也可以使得所述绝缘电路基板进一步包含配置在所述绝缘树脂层的另一面的散热层，在所述接合工序中，同时进行所述金属片和所述绝缘树脂层的接合以及所述散热层和所述绝缘树脂层的接合。
在此情况下，能够在形成电路层的同时绝缘树脂层的另一面侧形成散热层，从而能够高效地制造散热性优异的绝缘电路基板。
并且，在本发明的绝缘电路基板的制造方法中，所述树脂材可为环氧树脂，在所述接合工序中，可以使所述树脂材固化而形成所述绝缘树脂层。
在此情况下，在所述接合工序中，能够在配置有金属片的区域、没有配置金属片的区域、以及相当于缓冲材的周缘部的区域中都充分地加压由环氧树脂构成的树脂材，能够均匀地使其固化，从而能够形成绝缘性优异的绝缘树脂层。
并且，在本发明的绝缘电路基板的制造方法中，所述树脂材可以为聚酰亚胺树脂。
在此情况下，在所述接合工序中，能够在配置有金属片的区域、没有配置金属片的区域、以及相当于缓冲材的周缘部的区域中都充分地加压由聚酰亚胺树脂构成的树脂材，从而能够可靠地接合绝缘树脂层和所述金属片。
此外，在本发明的绝缘电路基板的制造方法中，优选所述缓冲材由硅酮橡胶构成。
在此情况下，缓冲材具有适当的硬度，能够根据金属片的形状而变形，并且均匀地按压配置有金属片的区域、没有配置金属片的区域、以及相当于缓冲材的周缘部的区域。
根据本发明，能够提供即使将金属片在树脂材的上方配置成电路图案状的情况下，也能够均匀地加压树脂材整体，从而能够使绝缘树脂层和金属片可靠地接合的绝缘电路基板的制造方法。
附图说明
图1是使用通过本发明的实施方式的绝缘电路基板的制造方法而制造出的绝缘电路基板的功率模块的剖面说明图。
图2A是通过本发明的实施方式的绝缘电路基板的制造方法而制造出的绝缘电路基板的侧面剖视图。
图2B是通过本发明的实施方式的绝缘电路基板的制造方法而制造出的绝缘电路基板的俯视图。
图3是表示本发明的实施方式的绝缘电路基板的制造方法的一例的流程图。
图4是表示图3中的金属片形成工序的说明图。
图5是表示本发明的实施方式的绝缘电路基板的制造方法的一例的说明图。
图6是在本发明的另一实施方式的绝缘电路基板的制造方法中使用的引导壁部的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1示出本发明的实施方式中的绝缘电路基板10及使用了该绝缘电路基板10的功率模块1。
该功率模块1具备：绝缘电路基板10；半导体元件3，通过焊锡层2接合于该绝缘电路基板10的一侧(图1中为上侧)；及散热器31，通过焊锡层32接合于绝缘电路基板10的另一侧(图1中为下侧)。
焊锡层2、32设为例如Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊锡材料(所谓的无铅焊锡材料)。
半导体元件3是具备半导体的电子器件，根据所需功能选择各种半导体元件。
如图1及图2A所示，绝缘电路基板10具备绝缘树脂层11、在绝缘树脂层11的一面(图1及图2A中为上面)上形成的电路层12、以及在绝缘树脂层11的另一面(图1及图2A中为下面)上形成的散热层13。
绝缘树脂层11用于防止电路层12与散热层13之间的电连接，并由具有绝缘性的树脂构成。在本实施方式中，为了确保绝缘树脂层11的强度而使用含有无机填料的热固型树脂。
在此，作为无机填料，可以使用例如氧化铝、氮化硼、氮化铝等。并且，作为热固型树脂，可以使用环氧树脂、聚酰亚胺等。
在本实施方式中，绝缘树脂层11由含有氧化铝作为无机填料的环氧树脂构成。并且，绝缘树脂层11的厚度在20μm以上且250μm以下的范围内。在绝缘树脂层11中，与电路层12相接的部分的厚度和除此以外的部分的厚度之差几乎不存在，该厚度之差被抑制成与电路层12相接的部分的厚度的20％以下。
如图5所示，电路层12通过在绝缘树脂层11的一面(图5中为上面)上接合由导电性优异的金属构成的金属片22而形成。作为金属片22，能够使用通过对金属板进行冲孔加工而形成的金属片。在本实施方式中，作为构成电路层12的金属片22，使用对无氧铜轧制板进行冲孔加工而成的金属片。
在该电路层12中，因上述金属片22以电路图案状配置而形成有电路图案，其一面(图1中为上面)设为搭载半导体元件3的搭载面。
在此，电路层12(金属片22)的厚度t为0.5mm以上。另外，电路层12(金属片22)的厚度t优选为1.0mm以上，进一步优选为1.5mm以上。并且，电路层12(金属片22)的厚度t的上限并不受特别的限制，但实际上为3.0mm以下。
并且，以电路图案状配设的金属片22彼此的最接近距离L优选设定为该最接近距离L与以电路图案状配设的金属片22的厚度t之比L/t为2.0以下。另外，在金属片22侧配置缓冲材，将缓冲材按压至树脂组合物21侧时，L/t优选在缓冲材接触于树脂组合物21的范围内较小，具体而言，L/t更优选设为1.0以下，进一步优选设为0.5以下。
在本实施方式中，具体而言，以电路图案状配设的金属片22彼此的最接近距离L设定在1.0mm以上且1.5mm以下的范围内。
散热层13具有通过使在搭载于绝缘电路基板10上的半导体元件3中产生的热在面方向上扩散而提高散热特性的作用。因此，散热层13由导热性优异的金属例如铜或铜合金、铝或铝合金构成。在本实施方式中，由无氧铜轧制板构成。并且，散热层13的厚度设定在0.05mm以上且3mm以下的范围内。
散热器31用于散发绝缘电路基板10侧的热。散热器31由导热性良好的铜或铜合金、铝或铝合金等构成。在本实施方式中，设为由无氧铜构成的散热板。另外，散热器31的厚度设定在3mm以上且10mm以下的范围内。
在此，绝缘电路基板10的散热层13与散热器31通过焊锡层32接合。
以下，使用图3至图5对本实施方式的绝缘电路基板10的制造方法进行说明。
(金属片形成工序S01)
首先，形成成为电路层12的金属片22。对金属板42(在本实施方式中为无氧铜轧制板)进行冲孔加工而形成金属片22。在本实施方式中，如图4所示，由冲孔加工机61的凸模62及凹模63夹持金属板42并进行剪切。由此，从金属板42冲切金属片22。
(树脂组合物配设工序S02)
接着，如图5所示，在成为散热层13的金属板23的一面(图5中为上面)上，配设含有作为无机填料的氧化铝、作为热固型树脂的环氧树脂及固化剂的树脂组合物21。
(金属片配置工序S03)
接着，在树脂组合物21的一面(图5中为上面)上，以电路图案状配置多个金属片22。
(接合工序S04)
接着，配置在加压装置70的上方按压板71及下方按压板72之间，并通过对成为散热层13的金属板23、树脂组合物21及金属片22在层叠方向上进行加压并加热，使树脂组合物21固化而形成绝缘树脂层11，并且进行金属板23与绝缘树脂层11的接合以及绝缘树脂层11与金属片22的接合，从而形成散热层13及电路层12。
此外，本实施方式可为如下的结构：在接合工序S04中，如图5所示，在金属片22侧(上方按压板71侧)配置缓冲材45，在树脂组合物21侧(下方按压板72)配置具备与缓冲材45的周缘部对置的引导壁部53的承受夹具50，通过上方按压板71及下方按压板72在层叠方向加压金属片22和树脂组合物21。在加压时，由于缓冲材45的周缘部和承受夹具50的引导壁部53接触，缓冲材45的周缘部朝外侧突出的情况得到抑制。
在此，缓冲材45优选由ASKER硬度计C型(高分子计器股份有限公司(高分子計器株式会社)制造)测量的硬度H1为10以上且75以下的范围内。在本实施方式中，例如由硅酮橡胶等构成。
并且，承受夹具50(引导壁部53)优选硬度H2被设为50HV以上且1000HV以下的范围内。在本实施方式中，例如由铝合金或碳等构成。另外，承受夹具的硬度测量是根据JIS Z2244：2009维氏硬度试验进行的。
并且，如图5所示，承受夹具50优选构成为能够容纳成为散热层13的金属板23和树脂组合物21，并且引导壁部53的上端距下方按压板72的高度高于金属片22的配置位置。
此外，引导壁部53和缓冲材45的接触宽度优选设为1mm以上且20mm以下的范围内。
并且，在接合工序S04中，优选加热温度在120℃以上且350℃以下的范围内，加热温度下的保持时间在10分钟以上且180分钟以下的范围内。并且，优选层叠方向的加压荷载在1MPa以上且30MPa以下的范围内。
在此，加热温度的下限更优选为150℃以上，进一步优选为170℃以上。另一方面，加热温度的上限更优选为250℃以下，进一步优选为200℃以下。
加热温度下的保持时间的下限更优选为30分钟以上，进一步优选为60分钟以上。另一方面，加热温度下的保持时间的上限更优选为120分钟以下，进一步优选为90分钟以下。
层叠方向的加压荷载的下限更优选为5MPa以上，进一步优选为8MPa以上。另一方面，层叠方向的加压荷载的上限更优选为15MPa以下，进一步优选为10MPa以下。
通过上述各工序而制造本实施方式的绝缘电路基板10。
(散热器接合工序S05)
接着，在该绝缘电路基板10的散热层13的另一面上接合散热器31。
在本实施方式中，通过焊锡材料接合散热层13与散热器31。
(半导体元件接合工序S06)
然后，在绝缘电路基板10的电路层12上接合半导体元件3。在本实施方式中，通过焊锡材料接合电路层12与半导体元件3。
通过以上工序而制造图1所示的功率模块1。
根据如上构成的本实施方式的绝缘电路基板10的制造方法，由于具有树脂组合物配设工序S02、金属片配置工序S03及接合工序S04，因此能够同时进行绝缘树脂层11的形成和金属片22、绝缘树脂层11及金属板23的接合，从而能够高效地制造绝缘电路基板10。
并且，能够在不进行蚀刻处理的情况下形成电路图案，高精度地形成电路层12的端部形状，并能抑制电路层12的接合界面的端部上的电场集中。
此外，根据本实施方式的绝缘电路基板10的制造方法，在金属片22侧(上方按压板71侧)配置缓冲材45，在树脂组合物21侧(下方按压板72)配置具备与所述缓冲材的周缘部对置的引导壁部53的承受夹具50，在层叠方向加压金属片22和树脂组合物21，因此在加压时，缓冲材45的周缘部和承受夹具50的引导壁部53接触，缓冲材45的周缘部朝外侧突出的情况得到抑制，能够在配置有金属片22的区域、没有配置金属片22的区域、以及相当于缓冲材45的周缘部的区域中都充分地加压树脂组合物21，能够形成绝缘性优异的绝缘树脂层11，并且能够牢固地接合金属片22和绝缘树脂层11。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内，可以适当地进行变更。
例如，在本实施方式中对在绝缘电路基板的电路层上搭载功率半导体元件而构成功率模块的情况进行了说明，但是并不限定于此。例如，可以在绝缘电路基板上搭载LED元件而构成LED模块，也可以在绝缘电路基板的电路层上搭载热电元件而构成热电模块。
并且，在本实施方式中对通过焊锡层接合绝缘电路基板(金属基板)与散热器的情况进行了说明，但是并不限定于此，也可以通过润滑脂层叠绝缘电路基板(金属基板)与散热器。
此外，散热器的材质或结构并不限定于本实施方式，也可以适当地变更设计。
此外，在本实施方式中对具有通过冲切金属板42而形成金属片22的金属片形成工序S01的情况进行了说明，但是并不限定于此，也可以使用通过其他方式形成的金属片。
并且，在本实施方式中，对在接合工序中接合金属片的同时接合金属板，从而在绝缘树脂层的另一面侧形成散热层的情况进行了说明，但不限定于此，也可以不形成散热层。
此外，在本实施方式中，对使用具有引导壁部的承受夹具而进行加压的结构的情况进行了说明，但是并不限定于此，如图6所示，引导壁部53也可以配设在缓冲材45侧。
并且，在本实施方式中，对由环氧树脂构成绝缘树脂层的情况进行了说明，但也可以由聚酰亚胺构成绝缘树脂层。在此情况下，在接合工序中，层叠已经固化的聚酰亚胺树脂并进行加压及加热而接合金属片和绝缘树脂层。
实施例
以下，针对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
作为成为散热层的金属板，准备无氧铜(OFC)的轧制板(50mm×60mm×厚度2.0mm)，在该金属板的一面上配置表1所示的树脂组合物的片材。
然后，在树脂组合物的一面上以图案状配置表1所示的金属片(20mm×20mm)。此时，以金属片彼此的最接近距离成为表1所示值的方式配置金属片。
然后，作为接合工序，在表2所示的条件下，对金属板、树脂组合物及金属片在层叠方向上进行加压并加热，从而使树脂组合物固化而形成绝缘树脂层，并且接合金属板、绝缘树脂层及金属片(金属板)。
此时，在本发明例1、2中，在金属片侧配置由硅酮橡胶构成的橡胶状弹性体(厚度4.0mm)，并且在树脂组合物侧配置具备引导壁部的承受夹具，并在层叠方向加压。
另一方面，在比较例1、2中，在金属片侧配置由硅酮橡胶构成的橡胶状弹性体(厚度4.0mm)，在树脂组合物侧未配置承受夹具，并在层叠方向加压。
针对通过如上所述方式获得的绝缘电路基板，评价绝缘树脂层的破裂、以及冷热循环后的金属片的剥离。
针对绝缘树脂层的破裂，在接合工序后目视观察绝缘树脂层而进行评价。
并且，在实施冷热循环试验(-45℃←→200℃，500次循环)之后，评价有无金属片的剥离。
[表1]
Figure BDA0003856270030000091
[表2]
Figure BDA0003856270030000101
在比较例1中，使用由环氧树脂构成的树脂片材而构成绝缘树脂层，在接合工序中未使用承受夹具。在接合工序后，在绝缘树脂层确认到破裂。因此，未实施冷热循环试验。
在比较例2中，使用由聚酰亚胺树脂构成的树脂片材而构成绝缘树脂层，在接合工序中未使用承受夹具。在接合工序后，在绝缘树脂层没有确认到破裂，但是在冷热循环试验后，确认到金属片的剥离。
与此相对，关于使用由环氧树脂构成的树脂片材而构成绝缘树脂层，在接合工序中使用承受夹具的本发明例1；以及使用由聚酰亚胺树脂构成的树脂片材而构成绝缘树脂层，在接合工序中使用承受夹具的比较例2均在接合工序后在绝缘树脂层上没有确认到破裂，在冷热循环试验后也没有确认到金属片的剥离。
从以上内容可以确认，根据本发明例，能够提供即使将金属片在树脂组合物的上方配置成电路图案状的情况下，也能够均匀地加压树脂组合物整体的绝缘电路基板的制造方法。
符号说明
1功率模块 3 半导体元件
10绝缘电路基板 11 绝缘树脂层
12电路层 13 散热层
21树脂组合物 22 金属片
23金属板 45 缓冲材
50承受夹具 53 引导壁部。

Claims (7)

1.一种绝缘电路基板的制造方法，该绝缘电路基板具备：绝缘树脂层；及电路层，由以电路图案状配设于所述绝缘树脂层的一面的金属片构成，所述绝缘电路基板的制造方法的特征在于，具有：
金属片配置工序，将所述金属片以电路图案状配置在成为所述绝缘树脂层的树脂材的上方；及
接合工序，通过至少在层叠方向对所述树脂材和所述金属片进行加压并加热，从而接合所述绝缘树脂层和所述金属片，
在所述接合工序中，在层叠方向加压所述金属片和所述树脂材的加压夹具具备配置在所述金属片侧的缓冲材和配置在与所述缓冲材的周缘部对置的位置的引导壁部，并在加压时，使所述缓冲材的周缘部和所述引导壁部接触。
2.根据权利要求1所述的绝缘电路基板的制造方法，其特征在于，
所述引导壁部的硬度大于所述缓冲材的硬度。
3.根据权利要求1或2所述的绝缘电路基板的制造方法，其特征在于，
所述引导壁部配置在所述加压夹具的所述树脂材侧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的绝缘电路基板的制造方法，其特征在于，
所述绝缘电路基板进一步包含配置在所述绝缘树脂层的另一面的散热层，
在所述接合工序中，同时进行所述金属片和所述绝缘树脂层的接合以及所述散热层和所述绝缘树脂层的接合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的绝缘电路基板的制造方法，其特征在于，
所述树脂材为环氧树脂，在所述接合工序中，使所述树脂材固化而形成所述绝缘树脂层。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的绝缘电路基板的制造方法，其特征在于，
所述树脂材为聚酰亚胺树脂。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的绝缘电路基板的制造方法，其特征在于，
所述缓冲材由硅酮橡胶构成。
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