JP2013187532A - パワーモジュール用基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱伝導度が高くて放熱効率を向上させることができるパワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】パワーモジュール用基板は、メタルベース基板と、前記メタルベース基板上に形成され、多層の絶縁接着層１２１ａ，１２１ｂ及び前記多層の絶縁接着層間の接合界面に形成されたセラミックフィラー層１２３を含む絶縁層１２０と、前記絶縁層１２０上に形成された回路層と、を含むことを特徴とする。前記セラミックフィラーは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、炭化ケイ素またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
【選択図】図２
【解決手段】パワーモジュール用基板は、メタルベース基板と、前記メタルベース基板上に形成され、多層の絶縁接着層１２１ａ，１２１ｂ及び前記多層の絶縁接着層間の接合界面に形成されたセラミックフィラー層１２３を含む絶縁層１２０と、前記絶縁層１２０上に形成された回路層と、を含むことを特徴とする。前記セラミックフィラーは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、炭化ケイ素またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
【選択図】図２
Description
本発明は、パワーモジュール用基板に関する。
全世界的にエネルギー使用量が増加するにつれて、限られたエネルギーの効率的な使用に対する関心が高まっている。これにより、既存の家電用／産業用の製品において、エネルギーの効率的な変換（Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）のためのＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）を適用したインバータの採用が加速化されている。
一方、特許文献１を始め、多様な構造のパワーモジュールの適用が拡大するに伴い、市場では高集積化、高容量化、小型化がさらに要求されている。これによるパワーモジュールの高集積化は、電子部品の発熱問題とモジュール全体の性能低下の結果をもたらしている。
従って、パワーモジュールの効率増加及び高信頼性を確保するためには、上記のような発熱問題が解決できる高放熱パッケージ構造が要求されている。
本発明は、上述の従来技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の一側面は、熱伝導度が高くて放熱効率を向上させることができるパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
本発明の実施例によるパワーモジュール用基板は、メタルベース基板と、前記メタルベース基板上に形成され、多層の絶縁接着層及び前記多層の絶縁接着層間の接合界面に形成されたセラミックフィラー層を含む絶縁層と、前記絶縁層上に形成された回路層と、を含むことができる。
また、本発明の実施例によるパワーモジュール用基板のセラミックフィラー層は、前記多層の絶縁接着層間の接合界面の全面にセラミックフィラーが均一に形成された形態であることができる。
また、本発明の実施例によるパワーモジュール用基板の前記セラミックフィラー層に含まれたセラミックフィラーの含量は８０％〜９３％であることができる。
また、本発明の実施例によるパワーモジュール用基板の前記セラミックフィラーは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
また、本発明の実施例によるパワーモジュール用基板の前記セラミックフィラー層は、同一平面上に配置されたセラミックフィラーが前記セラミックフィラーに隣接した前記絶縁接着層に含浸された形態であることができる。
また、本発明の実施例によるパワーモジュール用基板の前記絶縁接着層は、プリプレグ（Ｐｒｅｐｒｅｇ）、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙ Ｉｍｉｄｅ）、液晶ポリマー（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
また、本発明の実施例によるパワーモジュール用基板の前記メタルベース基板は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）またはチタン（Ｔｉ）からなることができる。
本発明の他の実施例によるパワーモジュール用基板は、メタルベース基板と、前記メタルベース基板上に形成され、多層の絶縁接着層及び前記多層の絶縁接着層間の接合界面に形成されたセラミックフィラー層を含む絶縁層と、前記絶縁層上に形成された回路層と、を含み、前記多層の絶縁接着層は第１セラミックフィラーを含むことができる。
また、本発明の他の実施例によるパワーモジュール用基板の前記セラミックフィラー層は、前記多層の絶縁接着層間の接合界面の全面に第２セラミックフィラーが均一に形成された形態であることができる。
また、本発明の他の実施例によるパワーモジュール用基板の前記セラミックフィラー層に含まれた第２セラミックフィラーの含量は８０％〜９３％であることができる。
また、本発明の他の実施例によるパワーモジュール用基板の前記第１及び第２セラミックフィラーは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
また、本発明の他の実施例によるパワーモジュール用基板の前記第１セラミックフィラーの粒子サイズは第２セラミックフィラーの粒子サイズより小さいことができる。
また、本発明の他の実施例によるパワーモジュール用基板の前記セラミックフィラー層は、同一平面上に配置されたセラミックフィラーが前記セラミックフィラーに隣接した前記絶縁接着層に含浸された形態であることができる。
また、本発明の他の実施例によるパワーモジュール用基板の前記絶縁接着層は、プリプレグ（Ｐｒｅｐｒｅｇ）、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙ Ｉｍｉｄｅ）、液晶ポリマー（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
また、本発明の他の実施例によるパワーモジュール用基板の前記メタルベース基板は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）またはチタン（Ｔｉ）からなることができる。
本発明の実施例によるパワーモジュール用基板は、メタル素材のベース基板と多層のセラミックフィラー層を適用するため、パワーモジュールで発生する熱をセラミックフィラー層を介して効率的に伝導することができ、これにより、パワーモジュール用基板の放熱特性が向上されるという効果を期待することができる。
また、本発明の実施例は、絶縁層を多層のセラミックフィラー層で構成するため、別の放熱基板を形成する従来の技術に比べ、単純な工程により小型化及び放熱特性が向上されたパワーモジュール用基板を実現することができる。
また、本発明の実施例は、絶縁層を多層のセラミックフィラー層で構成するため、別の放熱基板を形成する従来の技術に比べ、単純な工程により小型化及び放熱特性が向上されたパワーモジュール用基板を実現することができる。
本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
パワーモジュール用基板−第１実施例
図１は本発明の実施例によるパワーモジュール用基板の構成を示す断面図であり、図２及び図３は図１の絶縁層の第１実施例を詳細に示す断面図である。
図１は本発明の実施例によるパワーモジュール用基板の構成を示す断面図であり、図２及び図３は図１の絶縁層の第１実施例を詳細に示す断面図である。
図１から図３に図示するように、パワーモジュール用基板１００は、メタルベース基板１１０と、メタルベース基板１１０上に形成され、多層の絶縁接着層１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ（以下、１２１）及び多層の絶縁接着層１２１間の接合界面に形成されたセラミックフィラー層１２３、１２３ａ、１２３ｂを含む絶縁層１２０と、絶縁層１２０上に形成された回路層１３０と、を含むことができる。
ここで、メタルベース基板１１０は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）またはチタン（Ｔｉ）からなることができ、これに限定されない。
また、メタルベース基板１１０は、運用者の必要に応じて多様な厚さとサイズに加工されることができる。
この際、メタルベース基板１１０は多様な厚さに形成できるため、ダウンセット（Ｄｏｗｎ−ｓｅｔ）構造を用いないリードフレームを適用することができ、これにより、工程性が大きく向上されることができる。
また、図２及び図３に図示するように、絶縁層１２０は、第１絶縁接着層１２１ａを形成した後、第１絶縁接着層１２１ａ上にセラミックフィラーを全面に均一に塗布し、セラミックフィラーが塗布された第１絶縁接着層１２１ａ上に第２絶縁接着層１２１ｂを積層することにより形成される。
この際、絶縁接着層１２１、１２１ａ、１２１ｂは、プリプレグ（Ｐｒｅｐｒｅｇ）、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙ Ｉｍｉｄｅ）、液晶ポリマー（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
また、セラミックフィラーを絶縁接着層上に塗布する方法は、セラミック粒子（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）をスプレーで塗布するスプレー（Ｓｐｒａｙ）工法、ポリマーフィルム（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｆｉｌｍ）を帯電（Ｃｈａｒｇｅ）して静電気によりポリマーフィルム上にセラミックフィラー粒子が付着するようにした後、第１絶縁接着層上に転写する静電気法、セラミックフィラーの含量が８０％〜９３％となるようにプリプレグフィルムを接合するプリプレグ接合工法を適用することができる。
前記絶縁接着層１２１、１２１ａ、１２１ｂの厚さは、絶縁接着層の積層数、配列されたセラミックフィラー層の積層数に応じて決まる。
図２及び図３に図示するように、セラミックフィラー層１２３は、同一平面上に配置されたセラミックフィラーが前記セラミックフィラーに隣接した絶縁接着層（例えば、第１絶縁接着層１２１ａまたは第２絶縁接着層１２１ｂ）に含浸された形態に形成される。
前記セラミックフィラー層１２３は、図２に図示するように単一層１２３で構成されてもよく、または、図３に図示するように２層以上の多層１２３ａ、１２３bで構成されてもよい。
また、セラミックフィラー層１２３は、多層の絶縁接着層１２１間の接合界面の全面にセラミックフィラーが均一に形成された形態であることができる。
この際、前記セラミックフィラー層１２３に含まれたセラミックフィラーの含量は８０％〜９３％であることができる。即ち、セラミックフィラー層１２３は、セラミックフィラーが同一平面上に形成された絶縁接着層に比べ８０％〜９３％含まれることができる。
一方、図６に図示するように、本発明の実施例は、絶縁材（例えば、エポキシ）に含まれたセラミックフィラー（同一平面上に均一に形成）の含量が８０％〜９３％である場合（図６のＡ）にも、基板製作工程においてメタルと絶縁材との接着力基準値である１．２ｋｇｆ以上の接着力（Ａｄｈｅｓｉｏｎ）を維持し、セラミックフィラーの増加による接着力の変化が殆どないため、信頼性を確保することができる。
その反面、従来技術（図６のＢ）は、絶縁材に含まれたセラミックフィラーの含量が増加するほど接着力が急激に減少し、接着力基準値である１．２ｋｇｆ以下に減少することを確認することができる。
また、図７に図示するように、本発明の実施例は、絶縁材（例えば、エポキシ）に含まれたセラミックフィラー（同一平面上に均一に形成）の含量が８０％〜９３％である場合（図７のＣ）にも、パワーモジュール（Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）に適用するための基準値である１．５ｋＶ以上の、２．５ｋＶ以上の分離電圧（Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ）を確保することができる。
その反面、従来技術（図７のＤ）は、絶縁材に含まれたセラミックフィラーの含量が増加するほど分離電圧が急激に低下し、基準値である１．５ｋＶ以下に減少するため、基板をパワーモジュールに適用することができない。
上述したように、本発明によるパワーモジュール用基板１００は、セラミックフィラーの含量が増加してもパワーモジュールに適用することができるため、セラミックフィラーによる放熱特性の向上、パワーモジュールパッケージの小型化、高集積化及び高容量化の効果を期待することができる。
また、前記セラミックフィラーは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができ、これに限定されない。
また、回路層１３０は絶縁層１２０上に形成され、絶縁層との接合強度を高めるために、接合界面側の銅箔（Ｃｕ Ｆｏｉｌ）にサンドブラスト（Ｓａｎｄ Ｂｌａｓｔ）工法、化学的エッチング（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ）またはバフ研磨（Ｂｕｆｆｉｎｇ）工法が適用されることができる。
また、上述のメタルベース基板１１０、絶縁層１２０及び回路層１３０は、高温及び高圧のプレス工程により接合されることができ、これに限定されない。
パワーモジュール用基板−第２実施例
図４及び図５は、図１の絶縁層の第２実施例を詳細に示す断面図であり、図１をともに参照して説明する。
図４及び図５は、図１の絶縁層の第２実施例を詳細に示す断面図であり、図１をともに参照して説明する。
但し、第２実施例の構成のうち第１実施例の構成と同一の構成についての説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図１、図４及び図５に図示するように、パワーモジュール用基板１００は、メタルベース基板１１０と、メタルベース基板１１０上に形成され、多層の絶縁接着層１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ（以下、１２１）及び多層の絶縁接着層１２１間の接合界面に形成されたセラミックフィラー層１２３、１２３ａ、１２３ｂを含む絶縁層１２０と、絶縁層１２０上に形成された回路層１３０と、を含むことができる。
この際、多層の絶縁接着層１２１は第１セラミックフィラー１２５を含むことができる。
また、メタルベース基板１１０は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）またはチタン（Ｔｉ）からなることができる。
また、絶縁接着層１２１は、プリプレグ（Ｐｒｅｐｒｅｇ）、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙ Ｉｍｉｄｅ）、液晶ポリマー（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
また、セラミックフィラー層１２３は、多層の絶縁接着層１２１間の接合界面の全面に第２セラミックフィラーが均一に形成された形態であることができる。
この際、前記セラミックフィラー層１２３に含まれたセラミックフィラーの含量は８０％〜９３％であることができる。
また、前記第１及び第２セラミックフィラーは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
また、図４及び図５に図示するように、セラミックフィラー層１２３は、同一平面上に配置されたセラミックフィラーが前記セラミックフィラーに隣接した絶縁接着層１２１に含浸された形態であることができる。
前記セラミックフィラー層１２３は、図４に図示するように単一層１２３で構成されてもよく、または、図５に図示するように２層以上の多層１２３ａ、１２３ｂで構成されてもよい。
また、第１セラミックフィラー１２５の粒子サイズは第２セラミックフィラー（セラミックフィラー層１２３に含まれたフィラー）の粒子サイズより小さいことができる。
本発明の実施例によるパワーモジュール用基板１００は、放熱特性が良好であるため、後でパワーモジュールパッケージに適用される際、パワー素子のように発熱が大きい素子の発熱も効率的に除去することができる。これにより、熱に弱い制御素子に与えられる影響を最小化して、製品の信頼性及びライフタイム（Ｌｉｆｅ Ｔｉｍｅ）駆動特性を改善することができるという効果を期待することができる。
また、本発明の実施例によるパワーモジュール用基板１００は、ＣＢＭ（Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｅｄ Ｍｅｔａｌ）基板のメタルベース基板の厚さを多様な厚さに制御することができるため、ダウンセット（Ｄｏｗｎ−ｓｅｔ）構造を適用することなくリードフレームを用いることができるため、モジュール製造の工程性を大きく向上させることができる。
さらに、本発明の実施例は、パワーモジュール用基板上にメタル回路配線を自由に形成することができるため、モジュールのデザイン自由度を大きく向上させることができる。
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
１００ パワーモジュール用基板
１１０ メタルベース基板
１２０ 絶縁層
１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ 絶縁接着層
１２３、１２３ａ、１２３ｂ セラミックフィラー層
１２５ セラミックフィラー
１３０ 回路層
１１０ メタルベース基板
１２０ 絶縁層
１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ 絶縁接着層
１２３、１２３ａ、１２３ｂ セラミックフィラー層
１２５ セラミックフィラー
１３０ 回路層
Claims (15)
- メタルベース基板と、
前記メタルベース基板上に形成され、多層の絶縁接着層及び前記多層の絶縁接着層間の接合界面に形成されたセラミックフィラー層を含む絶縁層と、
前記絶縁層上に形成された回路層と、を含むパワーモジュール用基板。 - 前記セラミックフィラー層は、前記多層の絶縁接着層間の接合界面の全面にセラミックフィラーが均一に形成された形態であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記セラミックフィラー層に含まれたセラミックフィラーの含量は８０％〜９３％であることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記セラミックフィラーは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記セラミックフィラー層は、同一平面上に配置されたセラミックフィラーが前記セラミックフィラーに隣接した前記絶縁接着層に含浸された形態であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記絶縁接着層は、プリプレグ（Ｐｒｅｐｒｅｇ）、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙ Ｉｍｉｄｅ）、液晶ポリマー（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記メタルベース基板は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）またはチタン（Ｔｉ）からなることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
- メタルベース基板と、
前記メタルベース基板上に形成され、多層の絶縁接着層及び前記多層の絶縁接着層間の接合界面に形成されたセラミックフィラー層を含む絶縁層と、
前記絶縁層上に形成された回路層と、を含み、
前記多層の絶縁接着層は第１セラミックフィラーを含むパワーモジュール用基板。 - 前記セラミックフィラー層は、前記多層の絶縁接着層間の接合界面の全面に第２セラミックフィラーが均一に形成された形態であることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記セラミックフィラー層に含まれた第２セラミックフィラーの含量は８０％〜９３％であることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記第１及び第２セラミックフィラーは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記第１セラミックフィラーの粒子サイズは第２セラミックフィラーの粒子サイズより小さいことを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記セラミックフィラー層は、同一平面上に配置されたセラミックフィラーが前記セラミックフィラーに隣接した前記絶縁接着層に含浸された形態であることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記絶縁接着層は、プリプレグ（Ｐｒｅｐｒｅｇ）、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙ Ｉｍｉｄｅ）、液晶ポリマー（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）またはこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記メタルベース基板は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）またはチタン（Ｔｉ）からなることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用基板。
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