JP2003303940A - 絶縁回路基板および半導体装置 - Google Patents
絶縁回路基板および半導体装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】熱抵抗が小さく信頼性が高い絶縁回路基板とこ
れを用いた半導体装置を提供する。 【解決手段】本発明の絶縁回路基板は、第１の金属板
と、該第１の金属板に２層の樹脂絶縁層を介して電気回
路パターン状に形成した第２の金属板である導電性金属
板を積層し、前記第１の金属基板に接する第１の樹脂層
が、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のフィラーを５０ｗ
ｔ％以上充填した、厚さ２０μｍ以上の樹脂層であっ
て、前記第２の金属板に接する第２の樹脂層は、フィラ
ーの充填率が前記第１の樹脂層のフィラーの充填率より
１０ｗｔ％以上小さく、厚さが５μｍ以下である。
れを用いた半導体装置を提供する。 【解決手段】本発明の絶縁回路基板は、第１の金属板
と、該第１の金属板に２層の樹脂絶縁層を介して電気回
路パターン状に形成した第２の金属板である導電性金属
板を積層し、前記第１の金属基板に接する第１の樹脂層
が、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のフィラーを５０ｗ
ｔ％以上充填した、厚さ２０μｍ以上の樹脂層であっ
て、前記第２の金属板に接する第２の樹脂層は、フィラ
ーの充填率が前記第１の樹脂層のフィラーの充填率より
１０ｗｔ％以上小さく、厚さが５μｍ以下である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子等電子・
電気部品を搭載する絶縁回路基板およびこの絶縁回路基
板に半導体素子を搭載した半導体装置に関する。
電気部品を搭載する絶縁回路基板およびこの絶縁回路基
板に半導体素子を搭載した半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】インバータ，コンバータ，サーボ等の電
子機器では、搭載しているダイオード，トランジスタ，
ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等パワー系半導体素子の発熱を
放熱するために、金属板上に高い熱伝導性の絶縁層を設
けた金属基板を回路用基板に用いている。搭載する部品
の発熱量の大小に応じて、前記絶縁層の材料が次のよう
に選択されている。発熱量が大きい大，中容量パワー半
導体モジュールでは、熱抵抗が小さいアルミナセラミッ
クス，窒化アルミニウムセラミックス等を絶縁層とし、
発熱量が小さな小容量がパワー半導体モジュールでは、
樹脂を絶縁層に用いている。
子機器では、搭載しているダイオード，トランジスタ，
ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等パワー系半導体素子の発熱を
放熱するために、金属板上に高い熱伝導性の絶縁層を設
けた金属基板を回路用基板に用いている。搭載する部品
の発熱量の大小に応じて、前記絶縁層の材料が次のよう
に選択されている。発熱量が大きい大，中容量パワー半
導体モジュールでは、熱抵抗が小さいアルミナセラミッ
クス，窒化アルミニウムセラミックス等を絶縁層とし、
発熱量が小さな小容量がパワー半導体モジュールでは、
樹脂を絶縁層に用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の回路用基板
は樹脂絶縁層の熱抵抗が大きいので、安価な樹脂絶縁層
を備えた回路用基板を大，中容量品にも適用できない。
また、従来技術のセラミックス基板は表裏面に金属箔を
設けた構造であり、表裏面それぞれ、半導体スイッチン
グ素子，放熱板に半田付けする必要がある。また、それ
ぞれの半田は温度階層を持たせる必要があり、融点が隔
たった半田を選定するしなければならない。環境に配慮
した鉛フリー半田は、温度階層を設けられるものが現在
ないので、セラミックス基板を用いた場合は鉛入りの半
田を用いざるを得ない。
は樹脂絶縁層の熱抵抗が大きいので、安価な樹脂絶縁層
を備えた回路用基板を大，中容量品にも適用できない。
また、従来技術のセラミックス基板は表裏面に金属箔を
設けた構造であり、表裏面それぞれ、半導体スイッチン
グ素子，放熱板に半田付けする必要がある。また、それ
ぞれの半田は温度階層を持たせる必要があり、融点が隔
たった半田を選定するしなければならない。環境に配慮
した鉛フリー半田は、温度階層を設けられるものが現在
ないので、セラミックス基板を用いた場合は鉛入りの半
田を用いざるを得ない。
【０００４】樹脂絶縁層を用いた絶縁回路基板は、金属
板に、フィラーを充填した樹脂を塗布してから、導電性
金属箔を該樹脂層の上に配置し、これらを加熱加圧成型
により一体化し金属板／樹脂層／導電性金属箔積層構造
体を得る。この後、導電性金属箔をエッチングして電気
回路パターンを形成して製作する。
板に、フィラーを充填した樹脂を塗布してから、導電性
金属箔を該樹脂層の上に配置し、これらを加熱加圧成型
により一体化し金属板／樹脂層／導電性金属箔積層構造
体を得る。この後、導電性金属箔をエッチングして電気
回路パターンを形成して製作する。
【０００５】ダイオード，トランジスタ，ＩＧＢＴ，Ｍ
ＯＳＦＥＴ等パワー半導体素子をこの絶縁回路基板に搭
載するためには、これら素子の発熱を有効に放散するた
め、絶縁回路基板の熱抵抗を小さくする必要がある。
ＯＳＦＥＴ等パワー半導体素子をこの絶縁回路基板に搭
載するためには、これら素子の発熱を有効に放散するた
め、絶縁回路基板の熱抵抗を小さくする必要がある。
【０００６】絶縁回路基板の熱抵抗を小さくする第１の
方法は、樹脂絶縁層を薄くすることである。しかし、絶
縁耐圧を確保するためには、樹脂絶縁層を薄くすること
には限界がある。これは、樹脂層を薄くすると、電界強
度が樹脂の絶縁破壊強度を超えてしまうこととともに、
ピンホールが発生しやすくなり信頼性が低下するためで
ある。これより、樹脂絶縁層は２０μｍ以上は必要であ
る。
方法は、樹脂絶縁層を薄くすることである。しかし、絶
縁耐圧を確保するためには、樹脂絶縁層を薄くすること
には限界がある。これは、樹脂層を薄くすると、電界強
度が樹脂の絶縁破壊強度を超えてしまうこととともに、
ピンホールが発生しやすくなり信頼性が低下するためで
ある。これより、樹脂絶縁層は２０μｍ以上は必要であ
る。
【０００７】絶縁基板の熱抵抗を小さくする第２の方法
は、樹脂の熱伝導率を大きくすることである。これに
は、樹脂中のフィラーの充填率を大きくすることが有効
である。フィラーの充填率を上げるためには、樹脂に溶
剤を加える必要がある。溶剤は、フィラーを混ぜるため
のものであり、絶縁回路基板の本来の機能である熱伝
導，絶縁の機能の妨げとなるので、途中工程で蒸発させ
て抜く必要がある。従来技術の、金属板上に樹脂を塗布
後、金属箔を樹脂上に配置し、加熱加圧成型する方法で
は、樹脂の上面が金属箔で覆われるために溶剤を蒸発さ
せて抜くことができず、溶剤が気泡として樹脂中に残
り、絶縁回路基板の絶縁耐圧低下，熱抵抗増大の原因と
なり信頼性が低下する。
は、樹脂の熱伝導率を大きくすることである。これに
は、樹脂中のフィラーの充填率を大きくすることが有効
である。フィラーの充填率を上げるためには、樹脂に溶
剤を加える必要がある。溶剤は、フィラーを混ぜるため
のものであり、絶縁回路基板の本来の機能である熱伝
導，絶縁の機能の妨げとなるので、途中工程で蒸発させ
て抜く必要がある。従来技術の、金属板上に樹脂を塗布
後、金属箔を樹脂上に配置し、加熱加圧成型する方法で
は、樹脂の上面が金属箔で覆われるために溶剤を蒸発さ
せて抜くことができず、溶剤が気泡として樹脂中に残
り、絶縁回路基板の絶縁耐圧低下，熱抵抗増大の原因と
なり信頼性が低下する。
【０００８】本発明の目的は、熱抵抗が小さく高信頼性
である絶縁回路基板およびこれを用いた半導体装置を提
供することである。
である絶縁回路基板およびこれを用いた半導体装置を提
供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の絶縁回路基板
は、第１の金属板と、該第１の金属板に絶縁層を介して
電気回路パターン状に形成した第２の金属板である導電
性金属板を積層し、前記絶縁層が、２層の樹脂層を備
え、前記第１の金属基板に接する第１の樹脂層が、熱伝
導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のフィラーを５０ｗｔ％以上
充填した、厚さ２０μｍ以上の樹脂層であって、前記第
２の金属板に接する第２の樹脂層は、フィラーの充填率
が前記第１の樹脂層のフィラーの充填率より１０ｗｔ％
以上小さく、厚さが５μｍ以下である。
は、第１の金属板と、該第１の金属板に絶縁層を介して
電気回路パターン状に形成した第２の金属板である導電
性金属板を積層し、前記絶縁層が、２層の樹脂層を備
え、前記第１の金属基板に接する第１の樹脂層が、熱伝
導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のフィラーを５０ｗｔ％以上
充填した、厚さ２０μｍ以上の樹脂層であって、前記第
２の金属板に接する第２の樹脂層は、フィラーの充填率
が前記第１の樹脂層のフィラーの充填率より１０ｗｔ％
以上小さく、厚さが５μｍ以下である。
【００１０】本発明の半導体装置は、第１の金属板と、
該第１の金属板に絶縁層を介して電気回路パターン状に
形成した第２の金属板である導電性金属板を積層した絶
縁回路基板と、前記第２の金属基板に半田層を介して配
置した半導体素子とを備え、前記絶縁回路基板の絶縁層
が２層の樹脂層を有し、前記第１の金属基板に接する第
１の樹脂層が、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のフィラ
ーを５０ｗｔ％以上充填した、厚さ２０μｍ以上の樹脂
層であって、前記第２の金属板に接する第２の樹脂層
が、フィラーの充填率を、前記第１の樹脂層のフィラー
の充填率より１０ｗｔ％以上小さく、厚さを５μｍ以下
にし、前記半導体素子が電力半導体スイッチング素子で
あるＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴであって、さらに、
電力半導体スイッチング素子を制御する半導体集積回路
チップを第２の金属板上に半田層を介して配置した。
該第１の金属板に絶縁層を介して電気回路パターン状に
形成した第２の金属板である導電性金属板を積層した絶
縁回路基板と、前記第２の金属基板に半田層を介して配
置した半導体素子とを備え、前記絶縁回路基板の絶縁層
が２層の樹脂層を有し、前記第１の金属基板に接する第
１の樹脂層が、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のフィラ
ーを５０ｗｔ％以上充填した、厚さ２０μｍ以上の樹脂
層であって、前記第２の金属板に接する第２の樹脂層
が、フィラーの充填率を、前記第１の樹脂層のフィラー
の充填率より１０ｗｔ％以上小さく、厚さを５μｍ以下
にし、前記半導体素子が電力半導体スイッチング素子で
あるＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴであって、さらに、
電力半導体スイッチング素子を制御する半導体集積回路
チップを第２の金属板上に半田層を介して配置した。
【００１１】本発明で、前期課題が解決できる理由を図
１を用いて説明する。図１は本発明の絶縁回路基板の断
面図である。絶縁回路基板を低い熱抵抗にするために樹
脂中に多くのフィラーを充填するためには樹脂中に溶剤
を入れる必要がある。このフィラーの充填率は５０ｗｔ
％以上が望ましい。さらに望ましくはフィラーの充填率
は５０〜９５ｗｔ％の範囲である。フィラーの充填率を
９５ｗｔ％より大きくすると均一にフィラーを充填でき
ない。
１を用いて説明する。図１は本発明の絶縁回路基板の断
面図である。絶縁回路基板を低い熱抵抗にするために樹
脂中に多くのフィラーを充填するためには樹脂中に溶剤
を入れる必要がある。このフィラーの充填率は５０ｗｔ
％以上が望ましい。さらに望ましくはフィラーの充填率
は５０〜９５ｗｔ％の範囲である。フィラーの充填率を
９５ｗｔ％より大きくすると均一にフィラーを充填でき
ない。
【００１２】従来技術では、電気回路を形成する金属箔
が妨げになり、樹脂から溶剤を抜くことが容易ではな
い。本発明の絶縁回路基板では、第１の金属板１０１上
に、フィラーを高い密度で充填した、溶剤を含む第１の
樹脂層１０２を塗布する。第１の金属板の上面に第１の
樹脂層を塗布するために、塗布液の粘度が０.１ＰａＳ
〜１０ＰａＳ程度に小さい。本発明では、シート状の絶
縁樹脂を、第１の金属板に貼り付けずに、第１の樹脂層
を塗布するので、シート形成に必要なゴム成分等の添加
成分の配合が不要であり、絶縁特性に優れる。
が妨げになり、樹脂から溶剤を抜くことが容易ではな
い。本発明の絶縁回路基板では、第１の金属板１０１上
に、フィラーを高い密度で充填した、溶剤を含む第１の
樹脂層１０２を塗布する。第１の金属板の上面に第１の
樹脂層を塗布するために、塗布液の粘度が０.１ＰａＳ
〜１０ＰａＳ程度に小さい。本発明では、シート状の絶
縁樹脂を、第１の金属板に貼り付けずに、第１の樹脂層
を塗布するので、シート形成に必要なゴム成分等の添加
成分の配合が不要であり、絶縁特性に優れる。
【００１３】本発明ではフィラーを高充填にしても、第
１の樹脂層を形成する塗布液に溶剤を加えてあるので、
０.１ 〜１０ＰａＳ（２５℃での値である。以下、粘度
は２５℃での値を示す。）の低い粘度である。本発明で
は第１の樹脂層を塗布後、加熱し、溶剤を蒸発させるの
で、樹脂層中に気泡が残留せず、樹脂層の熱抵抗の増大
や、絶縁耐圧の低下のおそれがないので、絶縁回路基板
の信頼性が高く、半導体装置の信頼性も高くなる。
１の樹脂層を形成する塗布液に溶剤を加えてあるので、
０.１ 〜１０ＰａＳ（２５℃での値である。以下、粘度
は２５℃での値を示す。）の低い粘度である。本発明で
は第１の樹脂層を塗布後、加熱し、溶剤を蒸発させるの
で、樹脂層中に気泡が残留せず、樹脂層の熱抵抗の増大
や、絶縁耐圧の低下のおそれがないので、絶縁回路基板
の信頼性が高く、半導体装置の信頼性も高くなる。
【００１４】一旦加熱した第１の樹脂層は第２の金属板
（本発明の第２の金属板は従来技術の金属箔に相当す
る。）を接着する機能は失う。そこで、第１の樹脂層１
０２と第２の金属板１０４とを接着するために、第２の
樹脂層１０３を用いる。しかし、第２の樹脂層は上面に
第２の金属板が配置されるのでこれに溶剤を加えると気
泡が残るので、溶剤を含まないか、可能な限り溶媒を少
なくする。このために、第２の樹脂層のフィラーの充填
率は第１の樹脂層のフィラーの充填率より小さくする。
このままでは、第２の樹脂層全体の熱伝導率が小さくな
るので、厚さを５μｍ以下と薄くし、絶縁回路基板全体
の熱抵抗が高くならないようにする。
（本発明の第２の金属板は従来技術の金属箔に相当す
る。）を接着する機能は失う。そこで、第１の樹脂層１
０２と第２の金属板１０４とを接着するために、第２の
樹脂層１０３を用いる。しかし、第２の樹脂層は上面に
第２の金属板が配置されるのでこれに溶剤を加えると気
泡が残るので、溶剤を含まないか、可能な限り溶媒を少
なくする。このために、第２の樹脂層のフィラーの充填
率は第１の樹脂層のフィラーの充填率より小さくする。
このままでは、第２の樹脂層全体の熱伝導率が小さくな
るので、厚さを５μｍ以下と薄くし、絶縁回路基板全体
の熱抵抗が高くならないようにする。
【００１５】第２の樹脂層の塗布範囲は、絶縁回路基板
の全面であっても良いし、絶縁回路基板上の第２の金属
板が概略配置される範囲であっても良い。第２の樹脂層
を絶縁回路基板の全面に塗布する場合は、第１の樹脂層
と同ように粘度が低い（0.1ＰａＳ〜１０ＰａＳ）こと
が望ましい。第２の樹脂層は溶剤を含まないが、フィラ
ーの充填率が低いので粘度が低い。また、絶縁回路基板
上の第２の金属板が概略配置される領域に選択的に塗布
する際は、１０〜５００ＰａＳ程度の高い粘度が好適で
あり、フィラーの充填率を調整し高粘度にする。
の全面であっても良いし、絶縁回路基板上の第２の金属
板が概略配置される範囲であっても良い。第２の樹脂層
を絶縁回路基板の全面に塗布する場合は、第１の樹脂層
と同ように粘度が低い（0.1ＰａＳ〜１０ＰａＳ）こと
が望ましい。第２の樹脂層は溶剤を含まないが、フィラ
ーの充填率が低いので粘度が低い。また、絶縁回路基板
上の第２の金属板が概略配置される領域に選択的に塗布
する際は、１０〜５００ＰａＳ程度の高い粘度が好適で
あり、フィラーの充填率を調整し高粘度にする。
【００１６】以上のように、本発明によれば、熱抵抗が
小さく、信頼性が高い絶縁回路基板とこれを用いた半導
体装置とを提供できる。
小さく、信頼性が高い絶縁回路基板とこれを用いた半導
体装置とを提供できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の内容を実施例でさらに詳
細に説明する。
細に説明する。
【００１８】（実施例１）図２と図３は、本発明の絶縁
回路基板をＩＧＢＴと、ＩＧＢＴに逆並列に接続したフ
リーホイールダイオードからなる３相パワー回路とパワ
ー回路を制御する制御回路を含む半導体装置に適用した
ものであって、図２は平面構造を、図３は図２のＡ−
Ａ′断面を表わす。以下、ＩＧＢＴを搭載した半導体装
置の実施例を説明するが、ＩＧＢＴをパワーＭＯＳＦＥ
Ｔに置き換えても構わない。
回路基板をＩＧＢＴと、ＩＧＢＴに逆並列に接続したフ
リーホイールダイオードからなる３相パワー回路とパワ
ー回路を制御する制御回路を含む半導体装置に適用した
ものであって、図２は平面構造を、図３は図２のＡ−
Ａ′断面を表わす。以下、ＩＧＢＴを搭載した半導体装
置の実施例を説明するが、ＩＧＢＴをパワーＭＯＳＦＥ
Ｔに置き換えても構わない。
【００１９】本実施例では図２，図３のように、第１の
金属板１０１の一方の面（図３では上側の面）に、絶縁
基板となる第１の樹脂層１０２と第２の樹脂層１０３を
設け、その上に第２の金属板１０４を接合し、第２の金
属板１０４の所定位置に半導体スイッチング素子１０７
を半田で接合する。
金属板１０１の一方の面（図３では上側の面）に、絶縁
基板となる第１の樹脂層１０２と第２の樹脂層１０３を
設け、その上に第２の金属板１０４を接合し、第２の金
属板１０４の所定位置に半導体スイッチング素子１０７
を半田で接合する。
【００２０】また、第１の金属板１０１上の樹脂層１０
２，１０３の上に制御基板１０６を接着してある。制御
基板１０６は半導体スイッチング素子の制御用ＩＣ１０
８等の電子部品を搭載している。なお、図２，図３では
制御基板１０６に実装した電子部品は図示していない。
半導体スイッチング素子１０７と、第２の金属板104
と、制御基板１０６とは金属細線１０５で接続する。こ
の金属細線１０５は、３００〜５００μｍφ前後のアル
ミニウム合金のワイヤを用いる。第２の金属板１０４と
制御基板１０６とにそれぞれ、パワー用の外部端子１０
９ａ，信号用の外部接続端子１０９ｂを接続する。樹脂
ケース１１０を樹脂層１０２，１０３を介して第１の金
属板１０１に接着し、封止樹脂１１１でモジュール全体
を封止する。
２，１０３の上に制御基板１０６を接着してある。制御
基板１０６は半導体スイッチング素子の制御用ＩＣ１０
８等の電子部品を搭載している。なお、図２，図３では
制御基板１０６に実装した電子部品は図示していない。
半導体スイッチング素子１０７と、第２の金属板104
と、制御基板１０６とは金属細線１０５で接続する。こ
の金属細線１０５は、３００〜５００μｍφ前後のアル
ミニウム合金のワイヤを用いる。第２の金属板１０４と
制御基板１０６とにそれぞれ、パワー用の外部端子１０
９ａ，信号用の外部接続端子１０９ｂを接続する。樹脂
ケース１１０を樹脂層１０２，１０３を介して第１の金
属板１０１に接着し、封止樹脂１１１でモジュール全体
を封止する。
【００２１】本実施例で、第１の金属板１０１は、モジ
ュールの軽量化を優先する場合には、アルミニウム若し
くはアルミニウム合金で作る。これは、第１の金属板は
半導体装置内で比較的大きな体積を有するので、銅より
軽量にできるアルミニウムが適しているためである。し
かし、放熱を重視する場合は、アルミニウムより熱伝導
率が大きな銅や銅合金を用いる。第１の金属板１０１
は、内部で熱を広げて、熱抵抗が低減するように、厚さ
を１.５ 〜５mmにする。さらに、第１の金属板１０１に
は取付穴１１２を設けて、半導体装置を、図示してない
冷却フィンに取付けできるようになっている。
ュールの軽量化を優先する場合には、アルミニウム若し
くはアルミニウム合金で作る。これは、第１の金属板は
半導体装置内で比較的大きな体積を有するので、銅より
軽量にできるアルミニウムが適しているためである。し
かし、放熱を重視する場合は、アルミニウムより熱伝導
率が大きな銅や銅合金を用いる。第１の金属板１０１
は、内部で熱を広げて、熱抵抗が低減するように、厚さ
を１.５ 〜５mmにする。さらに、第１の金属板１０１に
は取付穴１１２を設けて、半導体装置を、図示してない
冷却フィンに取付けできるようになっている。
【００２２】次に、本実施例の絶縁回路基板の製造方法
を説明する。まず、寸法５００mm×５００mmで表面粗化
した第１の金属板１０１上に、溶媒を添加しフィラーを
８０ｗｔ％充填した第１の樹脂層１０２を塗布する。第
１の樹脂は、フィラーを多量に含んでいても、溶剤を添
加しているので、粘度が０.１ 〜１０ＰａＳと低く、均
一に塗布できる。フィラーは、アルミナ，シリカ，窒化
アルミニウム，窒化ホウ素などの材料を単独またはそれ
らを適宜混合して用いる。本実施例ではこれらフィラー
の熱伝導率が２０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋである。このフィ
ラーの熱伝導率は、例えば、バルクのフィラー材料をレ
ーザーフラッシュ法等で測定した値である。
を説明する。まず、寸法５００mm×５００mmで表面粗化
した第１の金属板１０１上に、溶媒を添加しフィラーを
８０ｗｔ％充填した第１の樹脂層１０２を塗布する。第
１の樹脂は、フィラーを多量に含んでいても、溶剤を添
加しているので、粘度が０.１ 〜１０ＰａＳと低く、均
一に塗布できる。フィラーは、アルミナ，シリカ，窒化
アルミニウム，窒化ホウ素などの材料を単独またはそれ
らを適宜混合して用いる。本実施例ではこれらフィラー
の熱伝導率が２０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋである。このフィ
ラーの熱伝導率は、例えば、バルクのフィラー材料をレ
ーザーフラッシュ法等で測定した値である。
【００２３】本実施例ではフィラーに窒化アルミニウム
を用いた。また、絶縁回路基板の絶縁を確保するために
第１の樹脂層の厚さを２０μｍ以上にした。この厚さ
は、好ましくは、２０〜５００μｍである。これは、第
１の樹脂層が厚くなると絶縁回路基板の熱抵抗が大きく
なり薄いと絶縁が不充分になるためである。
を用いた。また、絶縁回路基板の絶縁を確保するために
第１の樹脂層の厚さを２０μｍ以上にした。この厚さ
は、好ましくは、２０〜５００μｍである。これは、第
１の樹脂層が厚くなると絶縁回路基板の熱抵抗が大きく
なり薄いと絶縁が不充分になるためである。
【００２４】第１の樹脂層の溶媒を蒸発させた後、第１
の樹脂層１０２上に、第２の樹脂層１０３を塗布し、第
２の金属板１０４を配置後、加熱加圧して接着する。第
２の樹脂層１０３は前述のように、第２の金属板１０４
で上面を覆っているため溶剤を蒸発させて除去できない
ので、溶剤を添加できない。このために、第２の樹脂層
１０３にフィラーを第１の樹脂層１０２のように多量に
充填できず、熱伝導率が第１の樹脂層より低くなる。そ
のため、絶縁回路基板の熱抵抗を全体として小さくする
ために、第２の樹脂層１０３の厚さを５μｍ以下とする
ことが望ましい。さらに望ましくは第２の樹脂層１０３
の厚さが０.０１ 〜５μｍの範囲が望ましい。第２の樹
脂層の厚さが０.０１μｍ 以下では、第２の金属板が接
着されない部分が生じたり、第２の金属板が剥がれ易く
なり信頼性が低下する。また、第２の樹脂層の厚さが５
μｍ以上では、熱抵抗が大きくなる。第２の樹脂層１０
３を、第１の樹脂層１０２を介して例えば５００mm×５
００mmの第１の金属板101に塗布するためにはその粘度
が０.１ＰａＳ 〜１０ＰａＳである必要がある。第２の
樹脂層１０３は溶剤は含んでいないがフィラーの充填率
が小さいので０.１ＰａＳ〜１０ＰａＳの粘度を容易に
実現できる。
の樹脂層１０２上に、第２の樹脂層１０３を塗布し、第
２の金属板１０４を配置後、加熱加圧して接着する。第
２の樹脂層１０３は前述のように、第２の金属板１０４
で上面を覆っているため溶剤を蒸発させて除去できない
ので、溶剤を添加できない。このために、第２の樹脂層
１０３にフィラーを第１の樹脂層１０２のように多量に
充填できず、熱伝導率が第１の樹脂層より低くなる。そ
のため、絶縁回路基板の熱抵抗を全体として小さくする
ために、第２の樹脂層１０３の厚さを５μｍ以下とする
ことが望ましい。さらに望ましくは第２の樹脂層１０３
の厚さが０.０１ 〜５μｍの範囲が望ましい。第２の樹
脂層の厚さが０.０１μｍ 以下では、第２の金属板が接
着されない部分が生じたり、第２の金属板が剥がれ易く
なり信頼性が低下する。また、第２の樹脂層の厚さが５
μｍ以上では、熱抵抗が大きくなる。第２の樹脂層１０
３を、第１の樹脂層１０２を介して例えば５００mm×５
００mmの第１の金属板101に塗布するためにはその粘度
が０.１ＰａＳ 〜１０ＰａＳである必要がある。第２の
樹脂層１０３は溶剤は含んでいないがフィラーの充填率
が小さいので０.１ＰａＳ〜１０ＰａＳの粘度を容易に
実現できる。
【００２５】第２の金属板１０４は、電気伝導と熱伝導
とが良好な、銅を用いる。厚さは、この後のエッチング
工程で薄くなる分を考慮して決める。第２の金属板１０
４をエッチングして電気回路パターンを形成後、図２の
平面図のようにプレスで打ち抜いて絶縁回路基板を完成
する。
とが良好な、銅を用いる。厚さは、この後のエッチング
工程で薄くなる分を考慮して決める。第２の金属板１０
４をエッチングして電気回路パターンを形成後、図２の
平面図のようにプレスで打ち抜いて絶縁回路基板を完成
する。
【００２６】本実施例では、大きな寸法の第１の金属板
上に第１の樹脂層，第２の樹脂層，第２の金属層を積層
し、電気回路を形成後、プレス加工で絶縁回路基板を製
作したが、寸法の大きな、第１の金属板をプレス打ち抜
き後に、第１の樹脂層，第２の樹脂層および第２の金属
板を積層し、電気回路をエッチングで形成しても構わな
い。
上に第１の樹脂層，第２の樹脂層，第２の金属層を積層
し、電気回路を形成後、プレス加工で絶縁回路基板を製
作したが、寸法の大きな、第１の金属板をプレス打ち抜
き後に、第１の樹脂層，第２の樹脂層および第２の金属
板を積層し、電気回路をエッチングで形成しても構わな
い。
【００２７】本実施例では図２に示すように、第２の金
属板１０４に、ＩＧＢＴ１０７ａと、このＩＧＢＴ１０
７ａに逆並列接続したフリーホイールダイオード１０７
ｂとが半田で接合している。第１の樹脂層の樹脂と、第
２の樹脂層の樹脂とに耐熱性の高い樹脂、例えばビスフ
ェノールＡＤ型エポキシ樹脂（例えば、三井化学(株)商
品名 ＥＰＯＭＩＫ Ｒ７１０等）を用いて、融点の高
いＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリー半田
を適用できる。
属板１０４に、ＩＧＢＴ１０７ａと、このＩＧＢＴ１０
７ａに逆並列接続したフリーホイールダイオード１０７
ｂとが半田で接合している。第１の樹脂層の樹脂と、第
２の樹脂層の樹脂とに耐熱性の高い樹脂、例えばビスフ
ェノールＡＤ型エポキシ樹脂（例えば、三井化学(株)商
品名 ＥＰＯＭＩＫ Ｒ７１０等）を用いて、融点の高
いＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリー半田
を適用できる。
【００２８】従来技術の絶縁基板では表裏面に金属箔を
設けたセラミックで形成されており、表裏面がそれぞ
れ、放熱板と半導体スイッチング素子とに半田付けされ
ている。これらの半田は温度階層を持たせるために、ど
ちらか一方は鉛を含んだ半田を用いている。本実施例
は、低い熱抵抗の絶縁回路基板であるにも係わらず、鉛
を用いずに半田付けでき、環境に配慮した半導体装置に
できる。
設けたセラミックで形成されており、表裏面がそれぞ
れ、放熱板と半導体スイッチング素子とに半田付けされ
ている。これらの半田は温度階層を持たせるために、ど
ちらか一方は鉛を含んだ半田を用いている。本実施例
は、低い熱抵抗の絶縁回路基板であるにも係わらず、鉛
を用いずに半田付けでき、環境に配慮した半導体装置に
できる。
【００２９】図２で、ＩＧＢＴ１０７ａとフリーホイー
ルダイオード１０７ｂとは金属細線１０５によって、電
気回路パターンを形成した第２の金属板１０４と樹脂層
を介して第１の金属板１０１に接着した制御基板１０６
に結線している。第２の金属板１０４と、制御基板１０
６とはそれぞれ、パワー用外部端子１０９ａや信号用外
部端子１０９ｂに接続している。外部端子１０９は、ケ
ースにインサート形成で設けた外部端子に半田付けで第
２の金属板，制御回路基板を接続する方法や、ケースに
インサート形成で設けた外部端子と第２の金属板，制御
基板とを金属細線で結線する。
ルダイオード１０７ｂとは金属細線１０５によって、電
気回路パターンを形成した第２の金属板１０４と樹脂層
を介して第１の金属板１０１に接着した制御基板１０６
に結線している。第２の金属板１０４と、制御基板１０
６とはそれぞれ、パワー用外部端子１０９ａや信号用外
部端子１０９ｂに接続している。外部端子１０９は、ケ
ースにインサート形成で設けた外部端子に半田付けで第
２の金属板，制御回路基板を接続する方法や、ケースに
インサート形成で設けた外部端子と第２の金属板，制御
基板とを金属細線で結線する。
【００３０】封止樹脂１１１は、半導体スイッチング素
子１０７と金属細線１０５とを覆う部分は、金属細線や
半導体スイッチング素子等を封止樹脂の硬化時の熱収縮
や、使用時の熱サイクルで痛めないように、弾性率の低
いシリコーンゲルであり、外部と接する部分は内部保護
のために、弾性率の高いエポキシ樹脂である。
子１０７と金属細線１０５とを覆う部分は、金属細線や
半導体スイッチング素子等を封止樹脂の硬化時の熱収縮
や、使用時の熱サイクルで痛めないように、弾性率の低
いシリコーンゲルであり、外部と接する部分は内部保護
のために、弾性率の高いエポキシ樹脂である。
【００３１】以上の本実施例によれば、熱伝導率が小さ
く、高信頼性の絶縁回路基板と、これを用いた半導体装
置を実現できる。
く、高信頼性の絶縁回路基板と、これを用いた半導体装
置を実現できる。
【００３２】（実施例２）本実施例について図４，図５
を用いて説明する。図１〜図３と同じ符号は同じ内容を
示しており、重複する説明は割愛する。本実施例では樹
脂絶縁層を部分的に塗布し、かつ、エッチングが困難な
３００μｍ以上の厚さの第２の金属板を用いた。図４は
本実施例の平面図を示し、図５は図４のＡ−Ａ′断面を
示す。本実施例では、図５に示すように、第１の金属板
１０１は、第２の金属板１０４が概略配置される部分の
み表面が凹んでいて、凹んだ部分に第１の樹脂層１０２
を塗布してある。この第１の樹脂層１０２上に第２の金
属板１０４が第２の樹脂層１０３により接着している。
この際、第２の金属板１０４の回路パターンの形成はエ
ッチングによらないので厚さ３００μｍ以上の厚い第２
の金属板１０４を本実施例に用いることができる。
を用いて説明する。図１〜図３と同じ符号は同じ内容を
示しており、重複する説明は割愛する。本実施例では樹
脂絶縁層を部分的に塗布し、かつ、エッチングが困難な
３００μｍ以上の厚さの第２の金属板を用いた。図４は
本実施例の平面図を示し、図５は図４のＡ−Ａ′断面を
示す。本実施例では、図５に示すように、第１の金属板
１０１は、第２の金属板１０４が概略配置される部分の
み表面が凹んでいて、凹んだ部分に第１の樹脂層１０２
を塗布してある。この第１の樹脂層１０２上に第２の金
属板１０４が第２の樹脂層１０３により接着している。
この際、第２の金属板１０４の回路パターンの形成はエ
ッチングによらないので厚さ３００μｍ以上の厚い第２
の金属板１０４を本実施例に用いることができる。
【００３３】以下、本実施例の詳細を説明する。第１の
金属板１０１にはエッチングやプレス加工，切削加工等
により凹んだ部分を設ける。
金属板１０１にはエッチングやプレス加工，切削加工等
により凹んだ部分を設ける。
【００３４】粘度が低い第１の樹脂層１０２を第１の金
属板１０１に塗布した後、“すりこぐ”ことにより前期
凹部に、第１の樹脂層１０２を配置する。その後、加熱
工程で溶剤を蒸発させて、部分的に第１の樹脂層１０２
を設ける。このように本実施例では第１の樹脂の使用量
を減らせる。第１の樹脂はフィラーの充填量を大きくす
るために、溶剤を含んでおり、粘度が０.１ＰａＳ 〜１
０ＰａＳと低い。平らな板の上に塗布するだけでは、周
辺部の厚さが薄くなり、絶縁耐圧が確保し難いが、図５
のように、予め第１の樹脂を供給する部分を凹ませてお
けば必要な厚さにできる。第１の金属板１０１で、第１
の樹脂層が必要な範囲は、第２の金属板１０４の周囲の
少なくとも絶縁を確保する沿面距離の範囲である。図５
では、第２の金属板の周囲を４辺で囲う長方形の範囲に
第１の樹脂を塗布しているが、例えば、５００mm×５０
０mm程度の寸法の大きな第１の金属板１０１に第１の樹
脂を塗布する場合は、第１の樹脂の塗布範囲は、第２の
金属板を２辺で挟む帯状としても良い。
属板１０１に塗布した後、“すりこぐ”ことにより前期
凹部に、第１の樹脂層１０２を配置する。その後、加熱
工程で溶剤を蒸発させて、部分的に第１の樹脂層１０２
を設ける。このように本実施例では第１の樹脂の使用量
を減らせる。第１の樹脂はフィラーの充填量を大きくす
るために、溶剤を含んでおり、粘度が０.１ＰａＳ 〜１
０ＰａＳと低い。平らな板の上に塗布するだけでは、周
辺部の厚さが薄くなり、絶縁耐圧が確保し難いが、図５
のように、予め第１の樹脂を供給する部分を凹ませてお
けば必要な厚さにできる。第１の金属板１０１で、第１
の樹脂層が必要な範囲は、第２の金属板１０４の周囲の
少なくとも絶縁を確保する沿面距離の範囲である。図５
では、第２の金属板の周囲を４辺で囲う長方形の範囲に
第１の樹脂を塗布しているが、例えば、５００mm×５０
０mm程度の寸法の大きな第１の金属板１０１に第１の樹
脂を塗布する場合は、第１の樹脂の塗布範囲は、第２の
金属板を２辺で挟む帯状としても良い。
【００３５】次に、第２の金属板１０４を第２の樹脂層
１０３で第１の樹脂層１０２に接着する。第２の樹脂層
１０３のフィラーを含んだ樹脂をスクリーン印刷で、第
２の金属板が概略配置される部分に選択的に塗布後、第
２の金属板を配置し加圧加熱して接着する。第２の樹脂
は部分的に塗布した後、はじかれたり、濡れ広がらない
ように、ある程度の粘度があることが必要である。その
粘度は１０〜５００ＰａＳ程度が好ましく、粘度はフィ
ラー充填量で調整する。
１０３で第１の樹脂層１０２に接着する。第２の樹脂層
１０３のフィラーを含んだ樹脂をスクリーン印刷で、第
２の金属板が概略配置される部分に選択的に塗布後、第
２の金属板を配置し加圧加熱して接着する。第２の樹脂
は部分的に塗布した後、はじかれたり、濡れ広がらない
ように、ある程度の粘度があることが必要である。その
粘度は１０〜５００ＰａＳ程度が好ましく、粘度はフィ
ラー充填量で調整する。
【００３６】本実施例では第２の金属板にプレス加工で
予め電気回路パターンを形成したので、エッチングでは
困難な３００μｍ以上の板厚の電気回路パターンが利用
できる。本実施例では板厚が大きいので、第２の金属板
上に搭載した半導体スイッチング素子の発熱が、第２の
金属板中で横方向に広がり、実効的な伝熱面積が拡大
し、絶縁回路基板の熱抵抗が小さくなるので、特に、大
容量の半導体装置に用いる絶縁回路基板に好適な構造で
ある。なお、制御基板を接着する接着材１１３と第２の
樹脂層１０３は同じ材料でもよい。
予め電気回路パターンを形成したので、エッチングでは
困難な３００μｍ以上の板厚の電気回路パターンが利用
できる。本実施例では板厚が大きいので、第２の金属板
上に搭載した半導体スイッチング素子の発熱が、第２の
金属板中で横方向に広がり、実効的な伝熱面積が拡大
し、絶縁回路基板の熱抵抗が小さくなるので、特に、大
容量の半導体装置に用いる絶縁回路基板に好適な構造で
ある。なお、制御基板を接着する接着材１１３と第２の
樹脂層１０３は同じ材料でもよい。
【００３７】本実施例でも実施例１と同様に、大きな寸
法の第１の金属板上に第１の樹脂層を形成後プレスで打
ち抜き加工しても良いし、寸法の大きな第１の金属板を
プレス打ち抜き加工後に、第１の樹脂層を形成しても構
わない。また、制御基板106と第１の金属板１０１とを
接着する接着材１１３を第２の樹脂層１０３と同じ材料
としても構わない。
法の第１の金属板上に第１の樹脂層を形成後プレスで打
ち抜き加工しても良いし、寸法の大きな第１の金属板を
プレス打ち抜き加工後に、第１の樹脂層を形成しても構
わない。また、制御基板106と第１の金属板１０１とを
接着する接着材１１３を第２の樹脂層１０３と同じ材料
としても構わない。
【００３８】（実施例３）本実施例について図６，図７
を用いて説明する。図１〜図５と同じ符号は同じ内容を
示しており、重複する説明は割愛する。図７は図６のＡ
−Ａ′断面を示す。第１の金属板１０１上に予め、第１
の樹脂層の樹脂を塗布する部分を除いて、樹脂１１４を
塗布する。その後、第１の樹脂層の樹脂を塗布し、実施
例２と同様に“すりこぐ”ことにより、選択的に第１の
樹脂層１０２の樹脂を塗布できる。また、樹脂１１４の
厚さで第１の樹脂層１０２の厚さを制御できる。また、
樹脂１１４は絶縁破壊強度を有すると厚さがあるが、熱
伝導は第１の樹脂層１０２より悪い。制御基板１０６に
は、半導体スイッチング素子１０７のように発熱の大き
い部品を搭載しないので、熱抵抗の大きい樹脂１１４が
下部にあっても問題とならない。一方、樹脂１１４は絶
縁耐圧が高いので、制御基板１０６の裏面（図７では下
側）に電気回路パターンを設けることができる。
を用いて説明する。図１〜図５と同じ符号は同じ内容を
示しており、重複する説明は割愛する。図７は図６のＡ
−Ａ′断面を示す。第１の金属板１０１上に予め、第１
の樹脂層の樹脂を塗布する部分を除いて、樹脂１１４を
塗布する。その後、第１の樹脂層の樹脂を塗布し、実施
例２と同様に“すりこぐ”ことにより、選択的に第１の
樹脂層１０２の樹脂を塗布できる。また、樹脂１１４の
厚さで第１の樹脂層１０２の厚さを制御できる。また、
樹脂１１４は絶縁破壊強度を有すると厚さがあるが、熱
伝導は第１の樹脂層１０２より悪い。制御基板１０６に
は、半導体スイッチング素子１０７のように発熱の大き
い部品を搭載しないので、熱抵抗の大きい樹脂１１４が
下部にあっても問題とならない。一方、樹脂１１４は絶
縁耐圧が高いので、制御基板１０６の裏面（図７では下
側）に電気回路パターンを設けることができる。
【００３９】
【発明の効果】本発明により、熱抵抗が小さく高信頼性
である絶縁回路基板およびこれを用いた半導体装置を提
供できた。
である絶縁回路基板およびこれを用いた半導体装置を提
供できた。
【図１】本発明の絶縁回路基板の断面図である。
【図２】実施例１の半導体装置の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ′断面図である。
【図４】実施例２の半導体装置の平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ′断面図である。
【図６】実施例３の半導体装置の平面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ′断面図である。
１０１…第１の金属板、１０２…第１の樹脂層、１０３
…第２の樹脂層、104…第２の金属板、１０５…金属細
線、１０６…制御基板、１０７…半導体スイッチング素
子、１０８…制御用ＩＣ、１０９…外部端子、１１０…
ケース、１１１…封止樹脂、１１２…取付穴、１１３…
接着材、１１４…樹脂。
…第２の樹脂層、104…第２の金属板、１０５…金属細
線、１０６…制御基板、１０７…半導体スイッチング素
子、１０８…制御用ＩＣ、１０９…外部端子、１１０…
ケース、１１１…封止樹脂、１１２…取付穴、１１３…
接着材、１１４…樹脂。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 阪東 明
茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会
社日立製作所日立事業所内
(72)発明者 平井 強
茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会
社日立製作所日立事業所内
(72)発明者 鴨志田 陸男
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株
式会社日立製作所日立研究所内
(72)発明者 斉藤 直人
茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日
立製作所機械研究所内
(72)発明者 佐々木 康二
茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日
立製作所機械研究所内
Ｆターム(参考） 5E315 AA01 AA13 BB03 BB04 BB05
BB09 BB18 GG01 GG03
Claims (4)
- 【請求項１】第１の金属板と、該第１の金属板に絶縁層
を介して電気回路パターン状に形成した第２の金属板で
ある導電性金属板を積層した絶縁回路基板において、 前記絶縁層が、２層の樹脂層を備え、 前記第１の金属基板に接する第１の樹脂層が、熱伝導率
が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のフィラーを５０ｗｔ％以上充填
した、厚さ２０μｍ以上の樹脂層であって、 前記第２の金属板に接する第２の樹脂層は、フィラーの
充填率が前記第１の樹脂層のフィラーの充填率より１０
ｗｔ％以上小さく、厚さ５μｍ以下であることを特徴と
した絶縁回路基板。 - 【請求項２】第１の金属板と、該第１の金属板に絶縁層
を介して電気回路パターン状に形成した第２の金属板で
ある導電性金属板を積層した絶縁回路基板と、前記第２
の金属基板に半田層を介して配置した半導体素子とを備
えた半導体装置において、 前記絶縁回路基板の絶縁層が２層の樹脂層を有し、 前記第１の金属基板に接する第１の樹脂層が、熱伝導率
が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のフィラーを５０ｗｔ％以上充填
した、厚さ２０μｍ以上の樹脂層であって、 前記第２の金属板に接する第２の樹脂層が、フィラーの
充填率を、前記第１の樹脂層のフィラーの充填率より１
０ｗｔ％以上小さく、厚さを５μｍ以下にした絶縁回路
基板であって、 前記半導体素子が電力半導体スイッチング素子であるこ
とを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】請求項２において、前記電力半導体スイッ
チング素子がＩＧＢＴであることを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項４】請求項２において、前記電力半導体スイッ
チング素子に加えて、電力半導体スイッチング素子を制
御する半導体集積回路チップを第２の金属板上に半田層
を介して配置したことを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002109868A JP2003303940A (ja) | 2002-04-12 | 2002-04-12 | 絶縁回路基板および半導体装置 |
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|---|---|---|---|
| JP2002109868A JP2003303940A (ja) | 2002-04-12 | 2002-04-12 | 絶縁回路基板および半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003303940A true JP2003303940A (ja) | 2003-10-24 |
Family
ID=29393171
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|---|---|---|---|
| JP2002109868A Pending JP2003303940A (ja) | 2002-04-12 | 2002-04-12 | 絶縁回路基板および半導体装置 |
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|---|---|
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Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006351934A (ja) * | 2005-06-17 | 2006-12-28 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 半導体モジュール |
| KR100709775B1 (ko) | 2004-07-29 | 2007-04-19 | 가부시키가이샤후지쿠라 | 반도체 소자 및 그 제조 방법 |
| JP2008218814A (ja) * | 2007-03-06 | 2008-09-18 | Sumitomo Electric Ind Ltd | パワーモジュール |
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