JP2002170911A - 熱伝導基板およびそれを用いた半導体モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回路基板を外部放熱部材に固定する際にその間
の熱抵抗を十分に低く保ち、装置の動作時など高温にな
った際にもモジュールと外部放熱部材との接触を損なわ
ずに低い熱抵抗を維持し、かつ基板の割れやクラックを
発生させることなく信頼性の高い熱伝導基板およびそれ
を用いた半導体モジュールを提供する。 【解決手段】配線パターン11、無機質フィラー70-95重
量％と熱硬化性樹脂を5-30重量％含む熱伝導混合物から
なる電気絶縁層12、および放熱板13を含み、外部放熱部
材に固定されて使用される回路基板であって、前記外部
放熱部材に対する前記回路基板のそりが基板長さに対し
て1/500以下であり、温度が上昇するに従って前記回路
基板のそりが前記放熱板側に凸になる方向に変化する。
これにより、実使用時に温度上昇しても放熱性が損なわ
れない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種電気・電子機
器に用いられる回路基板およびそれを用いた半導体モジ
ュールに関するものであり、特にパワーエレクトロニク
ス分野など、放熱性を強く要求される機器に好適な熱伝
導基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の高性能化、小型化の要
求に伴い、半導体の高密度、高機能化が要請されてい
る。これによりそれらを実装するため回路基板もまた小
型高密度なものが望まれている。その結果、回路基板の
放熱を考慮した設計が重要となってきている。回路基板
の放熱性を改良する技術として、従来のガラス−エポキ
シ樹脂によるプリント基板に対し、銅やアルミニウムな
どの金属板を使用し、この金属板の片面もしくは両面に
電気絶縁層を介して回路パターンを形成する金属ベース
基板が知られている。またより高熱伝導性を要求される
場合は、アルミナや窒化アルミなどのセラミック基板に
銅板をダイレクトに接合した基板が利用されている。比
較的小電力な用途には、金属ベース基板が一般的に利用
されるが、熱伝導を良くするため電気絶縁層が薄くなけ
ればならず、回路パターン−金属板間でノイズの影響を
受けやすいことと、絶縁耐圧に課題を有している。

【０００３】これらの問題を解決するため、近年樹脂中
に熱伝導性の良いフィラーを充填した組成物を電極であ
るリードフレームと一体化した基板が提案されている。
このような組成物を用いた基板としては、たとえば特開
平１０−１７３０９７号広報に提案されている。その熱
伝導基板の製造方法を図７に示す。それによると無機質
フィラーと熱硬化性樹脂とを少なくとも含む混合物スラ
リーを造膜してシート状の熱伝導混合物７２を作製し、
それを乾燥させた後、図７（ａ）に示すようにリードフ
レーム７１と重ねあわせ、次いで図７（ｂ）に示すよう
に加熱加圧してシート状の熱伝導混合物７２を硬化させ
電気絶縁層７３とした熱伝導基板７４を作製している。

【０００４】このような放熱性を高めることを目的とし
た基板においては、この基板を用いて作製した半導体モ
ジュールを外部の放熱部材に接触させ、半導体および各
部品から発生した熱を速やかに外部放熱部材に伝達し、
半導体および各部品の温度が一定の値を超えないように
して使用することが一般的である。またこの目的のた
め、基板の外部放熱部材との接触面には熱伝導率の高い
放熱板を設けることが多い。

【０００５】この場合、回路基板の放熱板と外部放熱部
材をしっかり固定することと、これらを十分に接触さ
せ、その間の熱抵抗を小さくすることが重要である。半
導体モジュールを外部放熱部材に固定する方法として
は、ねじ止めなどが一般的に行われており、半導体モジ
ュールの四隅あるいは辺の部分、すなわち回路基板の四
隅および／または辺の部分にねじ穴や貫通孔を設け、外
部放熱部材に固定する。また、回路基板と外部放熱部材
との熱抵抗を小さくするためには、その間に熱伝導性の
比較的良いシリコーンコンパウンドなどを薄く塗布して
から固定することが一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようにして回路基
板もしくはそれを用いた半導体モジュールを外部放熱部
材に固定すると同時に接触性を高め、熱抵抗を小さくす
るためには、回路基板の平面度が重要になる。回路基板
のそりが大きい場合、必然的に両者間に隙間が生じ、そ
の間の熱抵抗が高くなるからである。特に回路基板がそ
の放熱板側からみて凹方向に反っている場合、そのそり
が大きければ基板を外部放熱部材に固定する四隅あるい
は辺では接触していても、その中央部分では接触してお
らず、その結果熱抵抗が高くなり、モジュールの温度が
高くなりすぎて動作異常や部品の故障が発生しやすくな
るという課題を有していた。逆に、回路基板がその放熱
板側から見て凸方向に反っている場合、回路基板と外部
放熱部材との接触性は良好になるが、固定するときにそ
の間に応力が発生し、絶縁層の割れやクラックが発生し
たり、配線パターンあるいは放熱板と絶縁層との間で剥
離が発生するという課題を有していた。

【０００７】また、半導体モジュールの回路基板を外部
放熱部材に固定する工程は通常室温で行われるが、回路
基板は異なる材料を層状に積層した構造体であるため、
温度により基板のそりが変化する。このため、回路基板
の固定時には外部放熱部材とほぼ十分な接触が得られて
いたにもかかわらず、半導体モジュールの動作時におい
ては温度上昇により基板にそりが生じてその接触が失わ
れ、半導体モジュールの熱暴走につながるという課題が
あった。

【０００８】さらに、温度によって基板のそりが変化す
る場合、そりの変化が大きければ基板を外部放熱部材に
固定したときに基板に発生する応力が大きくなり、その
結果基板のわれやクラックが発生し、絶縁不良になった
り、信頼性が低下したりするという課題があった。

【０００９】本発明はこれらの課題を解決するためにな
されたものであり、回路基板を外部放熱部材に固定して
使用する際に熱抵抗を十分に低く保ち、特に装置の動作
時など高温になった際にモジュールと外部放熱部材との
接触性を強化して低い熱抵抗を維持し、しかも基板の割
れやクラックを発生させることなく信頼性の高い熱伝導
基板およびそれを用いた半導体モジュールを得ることを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の熱伝導基板は、配線パターン、電気絶縁層
および放熱板を含み、前記電気絶縁層が無機質フィラー
70〜95重量％および熱硬化性樹脂を5〜30重量％含む熱
伝導混合物からなり、外部放熱部材に前記放熱板を固定
して使用される熱伝導基板であって、前記外部放熱部材
に対する前記熱伝導基板の部品実装後の室温におけるそ
りの大きさが、基板長さに対して1/500以下であり、前
記熱伝導基板の温度が上昇するに従って前記熱伝導基板
のそりが前記放熱板側に凸になる方向に変化することを
特徴とする。前記において室温とは、０℃〜４０℃の範
囲を示すものとする。

【００１１】次に本発明の半導体モジュールは、前記の
熱伝導基板に回路機能を有するための半導体素子および
受動部品が搭載され、さらに前記熱伝導基板の頂点部分
および辺部分から選ばれる部分に外部放熱部材に固定す
るためのコネクタを備えたことを特徴とする。前記コネ
クタは、ネジ止め状部材を嵌め込むことができるような
穴の形状であってもよいし、他の固定手段であってもか
まわない。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の熱伝導基板によれば、熱
伝導基板に搭載されている半導体装置が動作して温度が
上昇した場合でも、基板が外部放熱部材に押し付けられ
るようになる。その結果、基板と外部放熱部材との接触
が十分に得られるのみならず、その押し付ける圧力によ
って熱抵抗を低下させることも可能になり、高い放熱性
と信頼性を具備することができる。また、放熱板と外部
放熱部材との表面状態によっては、通常基板と外部放熱
部材との間に使用される放熱性のコンパウンドや樹脂シ
ートのような熱伝達部材を省略することも可能になる。

【００１３】また、本発明の熱伝導基板は、前記外部放
熱部材に対する前記熱伝導基板の部品実装後の室温にお
けるそりの大きさが、基板長さに対して1/500以下であ
る。この範囲にある場合、基板を外部放熱部材に取り付
けた際に、その間の隙間が十分小さくなり、外部への熱
放散性が良好になる。

【００１４】また、本発明の熱伝導基板は、前記熱伝導
基板の放熱板の線膨張係数が、配線パターンおよび電気
絶縁層の平均線膨張係数よりも大きいことが好ましい。
これにより、温度が上昇すると放熱板の方が配線パター
ンおよび電気絶縁層よりも寸法の伸びが大きくなり、そ
の結果熱伝導基板のそりは温度が上昇するとともに放熱
板側に凸になる。その結果、温度上昇時の基板から外部
放熱部材への熱放散性を良好にすることが可能になる。

【００１５】また、本発明の熱伝導基板は、前記熱伝導
基板の放熱板の線膨張係数α１が、電気絶縁層のガラス
転移点以下での線膨張係数α２より大きく、かつ前記線
膨張係数α２が配線パターンの線膨張係数α３より大き
いことが好ましい。これによれば、上述したものと同様
に、温度が上昇すると放熱板の方が電気絶縁層および配
線パターンよりも寸法の伸びが大きくなり、かつ電気絶
縁層の方が配線パターンよりも寸法の伸びが大きくなる
ため、熱伝導基板のそりは温度が上昇するとともに放熱
板側に凸になって基板から外部放熱部材への熱放散性を
良好にすることができる。さらに、α２はα１とα３の
間に当たるため、この大小関係に当てはまらない場合に
比べてそれぞれの層間での線膨張係数のミスマッチによ
る応力が小さくなり、その結果破損しにくい高信頼性な
基板を得ることができる。

【００１６】また、本発明の熱伝導基板は、電気絶縁層
を構成する熱伝導混合物の室温での弾性率が50GPa以下
であることが好ましい。熱伝導基板に発生するそりを押
さえるように外部放熱部材に固定されると、熱伝導基板
には応力がかかり、電気絶縁層である熱伝導混合物にク
ラックが発生しやすくなるが、この例によれば実使用時
にクラックが発生せず、高信頼性な基板を得ることがで
きる。

【００１７】また、本発明の熱伝導基板は、電気絶縁層
に補強材が含まれていることが好ましい。さらに前記補
強材がガラス不織布であることが好ましい。補強材が含
まれることにより電気絶縁層の機械的強度や加工性が向
上し、さらに線膨張係数の大きな調整が可能になる。特
に熱伝導率やコスト、基板製造性の点から前記補強材は
ガラス不織布であることが好ましい。

【００１８】また、本発明の熱伝導基板は、配線パター
ンがその隙間部分まで電気絶縁層に埋められて、ほぼ面
一な表面になっていることが好ましい。このような基板
は部品実装が容易であり、また実装のための半田レジス
ト処理も従来のプリント基板と同様な印刷工程が可能で
あるため、工業上有利である。

【００１９】また、本発明の熱伝導基板は、電気絶縁層
の厚さが0.4mm以上であることが好ましい。これによる
と放熱板と配線パターン間に強化絶縁が施されることに
なる。

【００２０】また、本発明の熱伝導基板は、配線パター
ンがリードフレームからなり、かつ外部端子として使用
されることが好ましい。

【００２１】また、本発明の熱伝導基板は、放熱板がア
ルミニウム、銅、もしくはこれらを主成分として含む合
金からなることが好ましい。

【００２２】また、本発明の半導体モジュールは、パワ
ーモジュールであり、スイッチング電源モジュール、Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータモジュール、インバータモジュー
ル、力率改善モジュール、整流平滑モジュールからなる
郡から選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。
これらのモジュールは電力変換機能を有しており、通常
取り扱う電力量が大きいため発熱量が大きい。また外部
放熱部材に固定して使用することが多い。そのため本発
明の熱伝導基板を使用する効果が高くなる。

【００２３】以下、本発明の熱伝導基板にかかる各実施
の形態を、図面を用いて具体的に説明する。

【００２４】（実施の形態１）図１は、本発明の一実施
の形態である熱伝導基板の構成を示す断面図である。こ
の基板は、配線パターンとしてのリードフレーム１１
と、電気絶縁層１２と、放熱板１３で構成される。電気
絶縁層１２は、無機質フィラーと熱硬化性樹脂を含む熱
伝導混合物から構成される。無機質フィラー比率は、７
０〜９５重量％であることが好ましく、特に８５〜９５
重量％であることがより好ましい。無機質フィラーの配
合比率がこの範囲より小さい場合、基板の放熱性が不良
になる。さらに無機質フィラー比率が低いと電気絶縁層
１２の線膨張係数が大きくなり、温度が上昇するに従っ
て基板のそりが放熱板側に凸になるという作用が得られ
なくなる。またこの範囲より多い場合には、熱伝導樹脂
組成物の流動性が低下し、配線パターン１１や放熱板１
３と一体化することが困難になる。

【００２５】無機質フィラーは、絶縁性や熱伝導性に優
れたものから適宜選択すればよいが、特にＡｌ₂Ｏ₃、Ｍ
ｇＯ、ＢＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＳｉＯ₂およびＳｉＣ
から選ばれた少なくとも１種類の粉末を主成分として含
むことが好ましい。これらの粉末は熱伝導性に優れてお
り、高い熱放散性を持つ基板を作製することが可能にな
るからである。特にＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂を用いた場合、
熱硬化性樹脂との混合が容易になる。またＡｌＮを用い
た場合、熱伝導基板の熱放散性が特に高くなる。さらに
無機質フィラーの平均粒径は０．１〜１００μｍの範囲
にあることが好ましい。この範囲から外れた粒径の場
合、フィラーの充填性や基板の放熱性が低下する傾向に
なる。

【００２６】熱伝導混合物中の熱硬化性樹脂の主成分と
しては、たとえばエポキシ樹脂、フェノール樹脂および
イソシアネート樹脂を使用でき、これらの樹脂から少な
くとも１種類を選んで用いることが好ましい。これらの
樹脂はそれぞれ耐熱性や機械的強度、電気絶縁性に優れ
るからである。熱伝導混合物の製造方法としては、各原
料を秤量し、混合すればよい。混合の方法としては、た
とえばボールミル、プラネタリーミキサー、攪拌機を使
用できる。

【００２７】電気絶縁層の室温での弾性率としては、５
０ＧＰａ以下であることが好ましく、特には２５ＧＰａ
以上４０ＧＰａ以下であることがより好ましい。弾性率
が高すぎると電気絶縁層が堅脆くなり、基板の温度変化
やリフロー半田付けに時に応力が増大すると、クラック
などが発生しやすくなるからである。なお、本発明にお
ける室温とは０℃〜４０℃の範囲を示すものとする。

【００２８】配線パターン１１としては、導電率が高い
金属であればよいが、たとえば銅、鉄、ニッケル、アル
ミニウム、あるいはそれらを主成分とする合金が使用で
き、これらは抵抗が小さい点で好ましい。配線パターン
１１のパターン形成方法は特に限定されず、たとえばエ
ッチング法や打ち抜き法が使用できる。また配線パター
ン１１の表面がニッケル、すず、はんだ、金、パラジウ
ムから選ばれた少なくとも１種の金属あるいは合金でめ
っきされていることが好ましい。めっきにより配線パタ
ーン１１の耐食性や耐酸化性が向上し、また熱伝導樹脂
組成物との接着が良好になるため、熱伝導基板の信頼性
が向上するからである。

【００２９】さらに、配線パターン１１の熱伝導樹脂組
成物と接着する面が粗化されていることが好ましい。接
着強度が向上し、信頼性が向上するからである。粗化の
方法としては特に限定されず、ブラスト処理やエッチン
グ処理などが使用できる。

【００３０】放熱板１３としては、熱伝導度や熱膨張係
数によって適宜選択すればよいが、たとえばアルミニウ
ムや銅、鉄、ニッケルから選ばれた金属あるいはその合
金板が使用でき、特にはアルミニウムもしくは銅が好ま
しい。これらは線膨張係数が高く、温度が上昇するに従
って基板のそりが放熱板側に凸になる作用を起こしやす
いからである。

【００３１】また、上記の加熱加圧時には、熱伝導混合
物がリードフレームの隙間部分まで充填されほぼ面一な
表面になることが好ましい。面一になることで、基板表
面のレベリング処理や半田レジスト処理といった後加工
が容易になり、また回路パターン間に部品実装する際の
実装性が良好になるからである。

【００３２】また、電気絶縁層の厚み（配線パターン−
放熱板間の厚み）は０．４ｍｍ以上であることが好まし
い。この場合配線パターンと放熱板の間に強化絶縁が施
され、パワーエレクトロニクス分野で使用される基板と
して好適になるからである。

【００３３】図２は、図１に示した本発明の一実施の形
態である熱伝導基板の製造方法を示す工程別断面図であ
る。図２(a)において、２１は配線パターンとなるリー
ドフレームであり、２２は無機質フィラー70〜95重量％
および熱硬化性樹脂を含む熱伝導混合物であり、２３は
放熱板である。これらを図２(a)に示すように重ね合わ
せて加熱加圧すると、図２(b)に示すようにリードフレ
ーム２１の隙間部分まで熱伝導混合物２２が充填されて
ほぼ面一な表面になると共に、熱伝導混合物２２中の熱
硬化性樹脂が硬化してリジットな電気絶縁層２４にな
る。同時に電気絶縁層２２と放熱板２３は接着され、熱
伝導基板２５が得られる。なお、この後必要に応じて半
田レジスト印刷、リードフレーム切断、端子処理や部品
の半田付けなどが行われる。前記の半田レジスト印刷の
方法としては、例えば半田レジストインクをスクリーン
印刷法で印刷し、硬化させる方法が使用できる。半田レ
ジストインクとしては、例えば市販の熱硬化インクが使
用できる。前記のフレームカットは、つながっている外
部端子を分割するために行うものであり、例えば金型に
よる切断やシャーリングによる切断といった方法が使用
できる。前記端子処理を用いた方法としては、切断され
た端子を外部端子として使用するための処理が含まれ、
例えば端子の折り曲げやメッキが挙げられる。

【００３４】本実施の形態のように、配線パターンとし
てリードフレームを使用することは、配線パターンを厚
くすることができ電気抵抗をによる損失を低減できるこ
とから好ましく、また配線パターンの一部をそのまま外
部取り出し端子として利用できるため、別に外部取り出
し端子を接続する必要がないことや接続抵抗による損失
が発生しない点からも好ましい。

【００３５】（実施の形態２）図３は、本発明の別の一
実施の形態である熱伝導基板の製造方法を示す工程別断
面図である。図３（ａ）において、３１は金属箔であ
り、３２は実施の形態１と同様の熱伝導混合物であり、
３３は実施の形態1と同様の放熱板である。これらを図
３（ａ）に示すように重ね合わせて加熱加圧すると、図
３（ｂ）に示すように熱伝導混合物３２中の熱硬化性樹
脂が硬化して電気絶縁層３４になり、金属箔３１および
放熱板３３と接着しながら一体化される。その後図３
（ｃ）に示すように金属箔３１をパターニングして配線
パターン３５とし、熱伝導基板３６が完成される。な
お、この後必要に応じて半田レジスト印刷、外部取り出
し端子や部品の半田付けなどが行われるが、これらは従
来公知の技術で行うことができる。

【００３６】金属箔としては、実施の形態１と同様に導
電率が高い金属であればよいが、たとえば銅、鉄、ニッ
ケル、アルミニウム、あるいはそれらを主成分とする合
金が使用でき、これらは電気抵抗が小さい点で好まし
い。また、パターニングの方法は特に限定されず、たと
えば化学エッチングによる方法が使用できる。

【００３７】（実施の形態３）図４は、本発明の別の一
実施の形態である熱伝導基板の製造方法を示す工程別断
面図である。図４（ａ）において、離型フィルム４３上
に接着層４２を介して金属箔４１が接着されている。こ
の金属箔４１を図４（ｂ）に示すようにパターニングし
て配線パターン４４を作製し、これを反対向きにして、
図４（ｃ）に示すように実施の形態1と同様の熱伝導混
合物４５および放熱板４６とこの順で配線パターン４４
が熱伝導混合物４５に接するようにして重ね合わせる。
これを加熱加圧することにより、図４（ｄ）に示すよう
に熱伝導混合物４５中の熱硬化性樹脂が硬化して電気絶
縁層４７になり、同時に配線パターン４４と放熱板４６
が接着され一体化される。その後離型フィルム４３およ
び接着層４２を除去して、図４（ｅ）に示すような熱伝
導基板４８が完成される。なお、この場合も必要に応じ
てこの後半田レジスト印刷、外部取り出し端子や部品の
半田付けなどが行われるが、これらは従来公知の技術で
行うことができる。

【００３８】離型フィルム４１としては、加熱加圧に耐
えることができ、その後除去することが可能であればよ
く、たとえばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、
ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）などの合成樹脂フィ
ルムや、銅箔、アルミニウム箔などの金属箔が使用でき
る。また、接着層４２としては図４（ｂ）に示したパタ
ーニング時に金属箔４１が剥離せず、かつ図４（ｅ）に
示した工程で剥離除去することができればよく、たとえ
ばウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤などの有機接着
剤や、ニッケル燐層などの金属層が使用できる。

【００３９】パターニングの方法は特に限定されず、た
とえば化学エッチングによる方法が使用できる。また、
図４（ｄ）に示した加熱加圧時には、熱伝導混合物４５
が充填されて配線パターン４４の端面部分を覆っている
ことが好ましく、更には図１で示したものと同様に、熱
伝導混合物４５が配線パターン４４のパターン間にその
表面まで充填されてほぼ面一になることがより好まし
い。面一になることで、基板表面のレベリング処理や半
田レジスト処理といった後加工が容易になり、また回路
パターン間に部品実装する際の実装性が良好になるから
である。また回路パターンと電気絶縁層間の接着力が向
上するからである。

【００４０】（実施の形態４）図５は、本発明の別の一
実施の形態である熱伝導基板の製造方法を示す工程別断
面図である。図５（ａ）において、熱伝導混合物５２の
両側に上記の実施例と同様の金属箔５１を用意する。こ
れらを加熱加圧して熱伝導混合物を硬化させて電気絶縁
層５３とし、図５（ｂ）に示すような金属箔５１付き両
面板を作製する。次にこの両面板に図５（ｃ）に示すよ
うな貫通孔５４を設け、図５（ｄ）に示すように貫通孔
５４にめっきを施してスルーホール５５を作製する。こ
の後、図５（ｅ）に示すように両面の金属箔５１をパタ
ーニングして配線パターン５６を作製し、両面配線基板
５７を作製する。次にこの両面配線基板５７と熱伝導混
合物５２および実施の形態１と同様の放熱板５８を図５
（ｆ）に示すようにこの順で重ね合わせ、加熱加圧する
と、図５（ｇ）に示すように、熱伝導混合物５２が硬化
するとともに両面配線基板５７と放熱板５８とが一体化
され、配線パターン５６を２層持った熱伝導基板５９が
完成される。なお、この場合も必要に応じてこの後半田
レジスト印刷、外部取り出し端子や部品の半田付けなど
が行われるが、これらは従来公知の技術で行うことがで
きる。

【００４１】めっきの方法としては公知の技術で行われ
るものであればよく、たとえば電解銅めっきや無電解銅
めっきが使用できる。さらに、本実施の形態においては
両面板の層間接続方法としてめっきスルーホールを使用
しているが、必ずしもこの方法による必要はなく、たと
えば導電性ペーストによるビア形成、金属ポストによる
層間接続などの方法が使用できるまた、パターニングの
方法としては実施の形態３と同様な方法が使用できる。

【００４２】（実施の形態５）図６（ａ）は、本発明の
一実施の形態における半導体モジュールの構成を示す断
面図であり、図６（ｂ）はその外観図である。図６
（ａ）において、熱伝導基板としては図１に示したもの
と同様のものを使用しており、６１は放熱板、６２は配
線パターン、６３は電気絶縁層である。配線パターン６
２の端部分は切断され、折り曲げられて外部取り出し電
極６４として使用される。上記の熱伝導基板上に半導体
素子６５ａおよび受動部品６６ａが実装してある。また
別の回路基板６７上にも半導体素子６５ｂおよび受動部
品６６ｂが実装してあり、制御回路を形成している。こ
の回路基板６７は外部取り出し電極６４に挿入されて、
熱伝導基板上の回路と接続されている。図６（ｂ）で示
すように、放熱板６１の四隅には外部放熱部材に固定す
るための貫通孔が設けられた基板固定用部品６８が取り
付けられており、これらの回路を保護するためのケース
６９が回路基板および部品を覆うようにして取り付けら
れて半導体モジュール７０を構成している。

【００４３】上記の回路基板６７は特に限定されず、た
とえばガラスエポキシ基板や紙フェノール基板など一般
的に用いられるプリント配線板が使用できる。また半導
体素子および受動部品の実装方法としては特に限定され
ず、たとえば半田付けによる方法やワイヤ・ボンディン
グによる方法などが使用できる。

【００４４】ケース６９としては、外部取り出し電極６
４間の電気的絶縁が保たれればよく、たとえばＰＣ（ポ
リカーボネート）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイ
ド）などの成形体が使用できる。また所望により回路の
気密性や熱放散性を高めるために、ケース内部を封止し
てもよい。封止材料としては、たとえばシリコーンやウ
レタンが使用できる。ただし、部品や端子間の絶縁性を
保つことができれば必ずしもケースを使用する必要はな
い。

【００４５】基板固定用部品６８としては、図６で示し
たような貫通孔を設けたポスト状部品に限らず、たとえ
ばねじ穴を設けたポスト状部品などが使用できる。また
半導体モジュールがその端部もしくは辺部で外部放熱部
材に固定できれば必ずしも基板固定用部品を搭載する必
要はなく、たとえば放熱板に貫通孔を設けたり、切り欠
きを設けたりしてもよい。

【００４６】上記の各実施の形態において、本発明の作
用を発揮せしめるために、外部放熱部材に対する熱伝導
基板の部品実装後の室温におけるそりの大きさが、基板
長さに対して１／２００以下であることが好ましく、特
には１／５００以下であることがより好ましい。通常、
外部放熱部材の基板との接触面は平面であることが多
く、その場合には平面に対するそりを以って外部放熱部
材に対するそりに置き換えることが可能である。そりを
制御する手段としては、たとえば基板作製の加熱加圧工
程において金型を用いてその形状を規制する方法や、加
圧したまま加熱状態より室温状態に冷却する方法、加熱
加圧工程の後にさらに加圧しながら焼鈍する方法などが
使用できる。

【００４７】また、上記の各実施の形態において、本発
明の作用を発揮せしめるために、配線パターン、電気絶
縁層および放熱板はそれらの線膨張係数の大小に応じて
適宜選択しなければならない。この選択方法としては、
放熱板の線膨張係数が、配線パターンおよび絶縁層の平
均線膨張係数よりも大きいことが好ましく、特には放熱
板の線膨張係数α１が電気絶縁層のガラス転移点以下で
の線膨張係数α２より大きく、かつ前記線膨張係数α２
が配線パターンの線膨張係数α３より大きいことがより
好ましい。放熱板の線膨張係数が配線パターンおよび絶
縁層の平均線膨張係数よりも大きい場合には、線膨張係
数の違いにより温度が上昇するに従って熱伝導基板のそ
りが放熱板側に凸になる方向に変化しやすいからであ
る。この場合の平均線膨張係数とは、配線パターンおよ
び電気絶縁層のそれぞれの線膨張係数をそれぞれの層の
厚みで加重平均したものを示す。さらに、放熱板の線膨
張係数α１が電気絶縁層のガラス転移点以下での線膨張
係数α２より大きく、かつ前記線膨張係数α２が配線パ
ターンの線膨張係数α３より大きい場合には、線膨張係
数の違いにより温度が上昇するに従って熱伝導基板のそ
りが放熱板側に凸になる方向に変化しやすいだけでな
く、放熱板と配線パターンとの間の熱膨張係数差により
電気絶縁層に発生する応力が比較的小さくなり、応力に
より発生する電気絶縁層のクラックや、電気絶縁層と配
線パターンもしくは放熱板との間の剥離の発生を防ぎ、
信頼性の高い熱伝導基板を作製することができる。

【００４８】上記の選択を行うにあたって、放熱板はア
ルミニウム、銅、もしくはこれらのうち少なくとも１種
を主成分とする合金であることが好ましい。これらは機
械的強度に優れ熱伝導率が高いだけでなく、比較的熱膨
張係数が大きいため、温度が上昇するに従って熱伝導基
板のそりが放熱板側に凸になる方向に変化させやすく、
かつ配線パターンや電気絶縁層の選択が容易になるから
である。

【００４９】上記の各実施の形態において、熱伝導混合
物はシート状に加工されていることが好ましい。取り扱
いが容易になり、加熱加圧して配線パターンおよび放熱
板と一体化させることが容易であるからである。シート
状に加工する方法としては、たとえばドクターブレード
法、コーター法、押し出し法が使用できる。

【００５０】また、上記の各実施の形態において、電気
絶縁層に補強材が含まれていてもよく、絶縁層の強度や
加工性が向上する点、および補強材を含むことにより線
膨張係数が制御できる点で好ましい。補強材としては、
たとえばガラス織布、ガラス不織布、セラミック不織
布、アラミド不織布が使用でき、熱伝導率が高いことか
らガラス織布、ガラス不織布、セラミック不織布が好ま
しい。さらに配線パターンを電気絶縁層に埋めることが
容易な点から、ガラス不織布がより好ましい。

【００５１】

【実施例】以下、具体的実施例に基づいて、本発明の熱
伝導基板とその製造方法をさらに詳細に説明する。

【００５２】（実施例1）本発明の実施に用いる熱伝導
混合物を作製するために、無機質フィラーと熱硬化性樹
脂組成物を混合してスラリー状に加工した。混合した熱
伝導混合物の組成を以下に示す。 （１）無機質フィラー：Ａｌ₂Ｏ₃（ＡＳ−４０、昭和電
工（株）製、平均粒径１２μｍ）８９重量％ （２）熱硬化性樹脂：臭素化された多官能エポキシ樹脂
（ＮＶＲ−１０１０、日本レック（株）製、硬化剤含
む）１０重量％ （３）その他の添加物：硬化促進剤（イミダゾール、日
本レック（株）製）０．０５重量％、カーボンブラック
（東洋カーボン（株）製）０．４重量％、カップリング
剤（プレンアクト ＫＲ−４６Ｂ、味の素（株）製）
０．５５重量％ これらの材料に溶剤としてメチルエチルケトン（ＭＥ
Ｋ）を加えて攪拌脱泡機（松尾産業（株）製）で混合し
た。ＭＥＫを添加することにより混合物の粘度が低下し
てスラリー状に加工することが可能になるが、その後の
乾燥工程で飛散させるため配合組成には含んでいない。

【００５３】このスラリーを用いて、ドクターブレード
法により、表面に離型処理を施したポリエチレンテレフ
タレート（ＰＥＴ）の離型フィルム上に造膜した。その
後、９０℃で乾燥を行い、溶剤を飛散させてシート状の
熱伝導混合物を作製した。放熱板として厚さ１ｍｍの銅
板（線膨張係数17ppm/℃）を用意した。さらに、配線パ
ターンとして厚さ０．５ｍｍの銅板を市販のエッチング
液を用いてエッチングしパターンを形成したリードフレ
ームを用意した。

【００５４】図２（ａ）に示したものと同様に、リード
フレーム、熱伝導混合物及び放熱板をこの順序で重ね合
わせ、１７０℃、５Ｐａの温度と圧力で１５分間加熱加
圧した。これにより、熱伝導樹脂組成物がリードフレー
ムの表面まで流動するとともに、その中に含まれる熱硬
化性樹脂が硬化してリジッドになリ、図２（ｂ）に示す
ような厚さ２．０ｍｍの基板（電気絶縁層の厚さ０．５
ｍｍ）を作製した。

【００５５】さらにこの後、窒素雰囲気中１７５℃で６
時間熱処理を行い、熱硬化性樹脂の硬化を進行させて熱
伝導基板を完成させた。この後、熱硬化性半田レジスト
インクをスクリーン印刷法により印刷した後、リフロー
半田付けによる部品実装を行った。部品実装後の基板の
そりを測定したところ、長さ１００ｍｍに対して０．０
５〜０．１２ｍｍのそりであった。

【００５６】このとき、熱伝導混合物の無機質フィラー
と熱硬化性樹脂との比率を変えて（熱硬化性樹脂とその
他の添加物との比率は一定として）樹脂熱伝導混合物を
作製し、それらを用いて上記と同様の方法で実験番号ａ
〜ｆの各基板を作製した。さらにシート状の各熱伝導混
合物のみを、厚みギャップを０．４ｍｍで一定にした平
板で上記と同様の温度、圧力で硬化させ、電気絶縁層の
物性測定用試料として供した。

【００５７】実施例１（実験番号ａ〜ｆ）の基板および
物性評価用試料について、線膨張係数および熱抵抗を測
定した。その結果を表１に示す。また基板そりの温度変
化を図８に示す。

【００５８】

【表１】

【００５９】線膨張係数は熱機械分析装置（ＴＭＡ；Th
ermal Mechanical Analyzer、セイコー・インストルメ
ント社製）を用いて測定した。また基板そりの温度変化
は、基板を恒温槽で加熱したのち、熱電対で温度をモニ
ターしながらレーザー式表面粗さ計（Rodenstock社製）
で基板中央の１００ｍｍの長さを測定し、その両端を結
んで最もそりの大きな部分の距離をそりの大きさとし
た。熱抵抗測定には熱抵抗測定装置（キャッツ電子設計
製）を用いた。測定方法としては、上記の各基板上に半
導体（ＴＯ−２２０パッケージ）を半田づけし、基板の
放熱板に熱伝導コンパウンド（東レ・シリコーン社製）
を塗り、放熱板の四隅をフィン付きのヒートシンクにね
じ止めで固定した。その後半導体に５０Ｗの電力を与
え、半導体のＢ−Ｅ間の電圧をモニターして電圧の温度
特性より半導体の温度を求め、そこから熱抵抗を求める
ものである。ただし、このときの半導体接合直下の基板
温度は実験番号ｃの基板で１１０℃であった。

【００６０】表１および図８の結果から、無機質フィラ
ー比率を変化させると、すなわち電気絶縁層の線膨張係
数を変化させるとそりの温度特性が変化し、放熱板の線
膨張係数（１７ｐｐｍ／℃）との相対的な違いによりそ
りの温度変化の方向に違いが出ることがわかる。また、
この時に放熱板側から見て凹方向にそりが変化する基板
の場合、そうでない場合に比べて熱抵抗が増大すること
がわかる。

【００６１】（実施例２）実施例１で作製したものと同
様な方法で熱伝導混合物を作製した。混合した熱伝導混
合物の組成を以下に示す。 （１）無機質フィラー：Ａｌ₂Ｏ₃（ＡＳ−４０、昭和電
工（株）製、平均粒径１２μｍ）８８重量％ （２）熱硬化性樹脂：エポキシ樹脂（ＸＮＲ５００２、
長瀬チバ（株）製）１１．５重量％ （３）その他添加物：シラン系カップリング剤（Ａ−１
８７、日本ユニカー（株）製）０．３重量％、カーボン
ブラック（東洋カーボン（株）製）０．２重量％ 上記の材料を混合した後、ＭＥＫを加えて粘度を低下さ
せた後、実施例１と同様にしてＰＥＴフィルム上に造膜
して、シート状の熱伝導硬化物を作製した。

【００６２】次に、上記の混合物スラリーをガラス不織
布（目付け５０ｇ／ｍ²、厚さ０．２ｍｍ）に含浸さ
せ、その後１２０℃で乾燥させて溶剤を飛散させて補強
材入りの熱伝導硬化物シートを作製した。

【００６３】放熱板として厚さ１ｍｍのアルミニウム板
（線膨張係数２３ｐｐｍ／℃）を用意した。さらに、配
線パターンとして厚さ０．５ｍｍの銅板を公知の方法で
エッチングしてパターンを形成し、ニッケルめっきを施
したリードフレームを用意した。

【００６４】放熱板、熱伝導混合物、配線パターンを実
施例１と同様に重ね合わせ、１７０℃５Ｐａの温度と圧
力で６０分間加熱加圧することにより、図１に示すよう
な、厚さ２.５ｍｍ（電気絶縁層の厚み１．０ｍｍ）の
基板を作製した。また実施例１と同様に熱伝導混合物の
みを硬化させて、電気絶縁層の物性測定用試料を作製し
た。

【００６５】電気絶縁層の線膨張係数を測定したとこ
ろ、補強材がない場合は２０ｐｐｍ／℃、補強材がある
場合は１３ｐｐｍ／℃であった。これらの基板のそりの
温度変化を測定した結果を図９に示す。この図から線膨
張係数に対応して熱伝導基板のそりが温度上昇とともに
放熱板側に凸に変化していることが分かる。

【００６６】信頼性の評価として、これらの基板の４隅
を厚さ３０ｍｍのアルミヒートシンクにねじ止めし、−
５５〜１２５℃の温度サイクル試験を行った。その結
果、補強材のない基板では２０００サイクル後にも基板
にクラックは発生しなかったが、補強材がある基板では
１５００サイクル程度で配線パターンと電気絶縁層間に
剥離が発生した。このことから、放熱板の線膨張係数が
電気絶縁層の線膨張係数より大きく、かつ前記線膨張係
数が配線パターンの線膨張係数α３より大きい方がより
高信頼性であることがわかった。

【００６７】（実施例３）本発明の実施に用いる熱伝導
混合物を作製するために、無機質フィラーと熱硬化性樹
脂組成物を混合してスラリー状に加工した。混合した熱
伝導混合物の組成を以下に示す。 （１）無機質フィラー：Ａｌ₂Ｏ₃（ＡＬ−３３、住友化
学（株）製、平均粒径１２μｍ）８９重量％ （２）熱硬化性樹脂：臭素化された多官能エポキシ樹脂
（ＮＶＲ−１０１０、日本レック（株）製、硬化剤含
む）１０重量％ （３）その他の添加物：硬化促進剤（イミダゾール、日
本レック（株）製）０．０５重量％、カーボンブラック
（東洋カーボン（株）製）０．４重量％、カップリング
剤（プレンアクト ＫＲ−４６Ｂ、味の素（株）製）
０．５５重量％ これらの材料に溶剤としてメチルエチルケトン（ＭＥ
Ｋ）を加えて攪拌脱泡機（松尾産業（株）製）で混合
し、実施例１の場合と同様にして離型フィルム上に熱伝
導混合物を造膜してシート状の熱伝導混合物を作製し
た。

【００６８】さらに、上記組成の熱硬化性樹脂の一部
を、可撓性エポキシ樹脂（ＹＤ−１７１、東都化成製）
で置換して、上記と同様にしてシート状の熱伝導混合物
３ａ〜３ｄを作製した。

【００６９】放熱板として、厚さ０．５ｍｍのアルミニ
ウム板を用意し、配線パターンとして厚さ０．２ｍｍの
銅箔を用意した。放熱板とそれぞれのシート状の熱伝導
混合物および銅箔を重ね合わせて、室温より昇温して最
高温１７５℃、５Ｐａの温度圧力で１ｈｒ加熱加圧し、
図３（ｂ）に示すように銅箔と放熱板を一体化した。こ
の後、銅箔上にエッチングレジスト膜を塗布し、回路パ
ターンのマスクをかぶせて紫外線露光し、現像、塩化銅
によるエッチング、レジスト剥離の工程を経て、図３
（ｃ）に示すような熱伝導基板が完成された。また、実
施の形態１および２と同様にして、熱伝導混合物のみを
硬化させ、物性評価用の試料として供した。

【００７０】各電気絶縁層の４０℃での弾性率を評価し
た。また信頼性を確認するために、各基板を２６０℃の
半田浴に１分間浸漬し、その後の電気絶縁層の変化を確
認した。これらの結果を表２に示す。弾性率評価はＤＭ
Ａ装置（Dynamic MechanicalAnalyzer、セイコー・イン
ストルメント製）を用いて測定した。

【００７１】

【表２】

【００７２】表２の結果より、可撓性エポキシを添加す
るにしたがって熱伝導混合物の弾性率が低下することが
分かる。また半田ディップ試験後の観察によると、可撓
性エポキシを置換せず弾性率の高い基板のみ電気絶縁層
にクラックが発生した。このことから、室温における弾
性率が５０ＧＰａ以下の場合、基板の信頼性が高くなる
ことが分かった。

【００７３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれば
配線パターン、電気絶縁層および放熱板を少なくとも含
む回路基板であって、温度が上昇するにしたがって基板
のそりが放熱板側に凸になる方向に変化する熱伝導基板
が得られる。この作用により熱伝導基板を用いた半導体
モジュールの動作時に温度が上昇してもモジュールから
外部放熱部材への熱放散性が損なわれず、高い放熱性を
持った熱伝導基板が実現できる。また本発明によれば、
高温時のそりや電気絶縁層に発生する応力により基板の
クラックや剥離が生じにくく高信頼性な基板を得ること
ができる。また本発明の熱伝導基板を用いることによ
り、放熱性に優れ高信頼性な半導体モジュールを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における熱伝導基板を示
す断面図

【図２】（ａ）〜（ｂ）は本発明の実施の形態１におけ
る熱伝導基板の製造方法を示す工程別断面図

【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態２におけ
る熱伝導基板の製造方法を示す工程別断面図

【図４】（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施の形態３におけ
る熱伝導基板の製造方法を示す工程別断面図

【図５】（ａ）〜（ｇ）は本発明の実施の形態４におけ
る熱伝導基板の製造方法を示す工程別断面図

【図６】（ａ）〜（ｂ）は本発明の実施の形態５におけ
る半導体モジュールの構成を示す断面および外観図

【図７】（ａ）〜（ｂ）は従来例の熱伝導基板の製造方
法を示す工程別断面図

【図８】本発明の実施例１における熱伝導基板のそりの
温度変化を示すグラフ

【図９】本発明の実施例２における熱伝導基板のそりの
温度変化を示すグラフ

【符号の説明】

11,21,71 リードフレーム 12,24,34,47,53,63,73 電気絶縁層 13,23,33,46,58,61 放熱板 21,32,45,52,72 熱伝導混合物 25,36,48,59,74 熱伝導基板 31,41,51 金属箔 35,44,56,62 配線パターン 42 接着層 43 離型フィルム 54 貫通孔 55 スルーホール内のメッキ 57 両面配線基板 64 外部取り出し電極 65a,65b 半導体素子 66a,66b 受動部品 67 回路基板 68 基板固定用部品 69 ケース 70 半導体モジュール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中谷 誠一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5E338 AA01 BB80 EE02 5F036 AA01 BB01 BB08 BD01 BD03 BD21

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配線パターン、電気絶縁層および放熱板
   を含み、前記電気絶縁層が無機質フィラー70〜95重量％
   および熱硬化性樹脂を5〜30重量％含む熱伝導混合物か
   らなり、外部放熱部材に前記放熱板を固定して使用され
   る熱伝導基板であって、 前記外部放熱部材に対する前記熱伝導基板の部品実装後
   の室温におけるそりの大きさが、基板長さに対して1/50
   0以下であり、前記熱伝導基板の温度が上昇するに従っ
   て前記熱伝導基板のそりが前記放熱板側に凸になる方向
   に変化することを特徴とする熱伝導基板。
2. 【請求項２】 放熱板の線膨張係数が、配線パターンお
   よび電気絶縁層の平均線膨張係数よりも大きい請求項１
   に記載の熱伝導基板。
3. 【請求項３】 放熱板の線膨張係数α１が、電気絶縁層
   のガラス転移点以下での線膨張係数α２より大きく、か
   つ前記線膨張係数α２が配線パターンの線膨張係数α３
   より大きい請求項１または２に記載の熱伝導基板。
4. 【請求項４】 前記電気絶縁層を構成する前記熱伝導混
   合物の室温での弾性率が50GPa以下である請求項１〜３
   のいずれかに記載の熱伝導基板。
5. 【請求項５】 前記電気絶縁層に補強材が含まれている
   請求項１〜４のいずれかに記載の熱伝導基板。
6. 【請求項６】 前記補強材がガラス不織布である請求項
   ５に記載の熱伝導基板。
7. 【請求項７】 前記配線パターンがその隙間部分まで電
   気絶縁層に埋められて、ほぼ面一な表面になっている請
   求項１〜６のいずれかに記載の熱伝導基板。
8. 【請求項８】 前記電気絶縁層の厚さが0.4mm以上であ
   る請求項１〜７のいずれかに記載の熱伝導基板。
9. 【請求項９】 前記配線パターンがリードフレームから
   なり、かつ外部端子として使用される請求項１〜８のい
   ずれかに記載の熱伝導基板。
10. 【請求項１０】 前記放熱板がアルミニウム、銅、もし
    くはこれらのうち少なくとも1種を主成分として含む合
    金からなる請求項１〜９のいずれかに記載の熱伝導基
    板。
11. 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれかに記載の熱
    伝導基板に回路機能を有するための半導体素子および受
    動部品が搭載され、さらに前記熱伝導基板の頂点部分お
    よび辺部分から選ばれる部分に前記外部放熱部材に固定
    するためのコネクタを備えたことを特徴とする半導体モ
    ジュール。
12. 【請求項１２】 前記半導体モジュールが、スイッチン
    グ電源モジュール、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール、
    インバータモジュール、力率改善モジュールおよび整流
    平滑モジュールから選ばれた少なくとも１種のパワーモ
    ジュールである請求項１１に記載の半導体モジュール。