JP2015165545A - パワーモジュールとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のＬＥＤ素子を実装したパワーモジュール基板を小型化しても放熱性を維持しながら縁面が充分な絶縁耐圧が確保できる高放熱パワーモジュール、新パワー半導体、パワーデバイス用途などに大電流、高放熱、高耐熱（１８０℃以上）に優れた高放熱パワーモジュール、及びこれらパワーモジュール基板の多面付け量産に適した製造方法を提供する。
【解決手段】金属構造体上面に複数のＬＥＤ素子が実装され、放熱する金属構造体のモジュール、及び次世代パワー半導体（ＳｉＣ）、パワー半導体が実装され、高放熱、低損失を実現するパワーモジュールの小型化において、縁面部が充分な絶縁耐圧を確保できる。また、モジュール基板裏面に放熱部材（ヒートシンク）を有する場合、その放熱部との間に絶縁放熱材が接するように配置し、放熱性を維持しながら充分な絶縁耐圧が確保できることを特徴とするパワーモジュールとそのモジュール基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のＬＥＤ素子などを実装した耐熱性モジュール基板とそのモジュールからの発熱を放熱する絶縁放熱材を有し、小型化しても絶縁耐圧を確保することができる高出力照明装置、及び次世代パワーデバイスに適したパワーモジュール提供とその製造方法に関するものである。

ＬＥＤ素子などを使った高出力照明装置が普及してきている中で、小型で５０Ｗ以上の高出力となると一般の樹脂基板、アルミ基板では放熱性能などが不十分で、装置寿命にも大きく影響することから最近ではセラミックやアルミ基板などが使用されているが、まだ性能面、コスト他等で課題が有り、ＬＥＤなど半導体素子の性能をセーブして使用したりしている。

また、次世代パワー半導体（ＳｉＣ）、パワー半導体等を用いた低損失を実現する回路モジュールの場合、同様に大電流、高耐熱を伴い、高放熱性能と更なる小型化が求められている。
パワー半導体素子等も高温になるため、上記と同様に高耐熱、高放熱特性に適したパワーモジュールの提供が求められている。そして、小型化での絶縁耐圧を確保することも求められている。

制御機器、モータ等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高効率インバータなど電力、電流モジュールの変遷が進み、パワー半導体素子、及びパワーデバイスからの影響で発熱が、増加してきている。電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、ロボット、太陽光発電、風力発電のパワーコンディショナー、産業用モータ、オン／オフスイッチングロスなどではＳｉＣ（シリコンカーバイド）の採用で電流制御やハイパワー電源、モータ回路など様々な用途で電気的負荷の大きい小型化、高効率化が進められ、この発熱を効率良く放熱するため、パワーモジュールにおいて、現状は熱伝導性を持つ窒化アルミ、窒化珪素などのセラミックス基板とその表裏に銅板、アルミ板などの金属板を接合したものを使用する場合が多い。
高耐熱、高放熱を要求されるモジュール基板などは、従来はアルミナや窒化アルミなどのセラミックス系基板が利用されるケースが多いが、セラミックス基板はコストが高く、機械的衝撃など強度に弱い、銅とセラミックの膨張率の相違によるクラック発生、取り扱いにくい、生産に時間がかかるなどの課題を持ち、パワーモジュールとして機能面、性能面を含め十分対応ができていない。

一方で、コスト面から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、絶縁層を介してアルミ金属基板や銅金属基板を使用し、片面、もしくは両面に、導体回路を形成する金属ベース基板が知られている。しかし、現状では、パワー半導体などハイパワーの放熱性能に不足し、このような金属基板は小電力用途となっており、高熱伝導性の絶縁層の開発が進められているが、放熱性と絶縁耐圧を確保するためにコスト高いなどまだ多くの課題が残っている。

特許３２１４６９６号公報 特開２００９−２１８２０４号

前記のパワーモジュール基板に高い電圧を印加する場合、若しくは異常電圧が発生する場合、モジュール基板は充分な絶縁耐圧を確保する必要がある。絶縁耐圧を高くするひとつの方策として、モジュール基板の電力供給端子から、モジュール基板の縁面までの距離を大きくすることがある。しかしながら、この手法はモジュール基板の大型化を招いてしまう。これに対して、絶縁耐圧を確保する別の手法として、モジュール基板と放熱部材の間に絶縁放熱シートを配置するものがあり、従来はシリコーンラバーシートが絶縁シートとして使用されたりしている。
シリコーンラバーシートは、密着性を向上し熱伝導を安定化させる機能もある。しかしながら、絶縁シートにより絶縁耐圧を高くしようとすると、絶縁シートを厚くする必要があり、放熱性を損なう結果になる。また、厚くすることでコストも高くなるなどデメリットが発生する。

本発明は、実施例として複数のＬＥＤ素子を実装したモジュール基板とＬＥＤ素子が発する熱を放熱する放熱部材（ヒートシンク）とを備えている場合に、モジュール基板を小型化しても放熱性を維持しながら縁面などが充分な絶縁耐圧が確保できる絶縁放熱材で覆われた高放熱の小型照明装置、及びパワーモジュールを提供することを目的としている。

実施例として本発明を適用した照明装置は、複数のＬＥＤ素子を上面に実装したモジュール基板と凸部を有し、且つ複数のＬＥＤ素子が発する熱を放熱する裏面に放熱部材（ヒートシンク）を有し、凸部が開口部を介してモジュール基板における複数のＬＥＤ素子が実装された領域の裏面に放熱部材との間に配置された絶縁放熱材が接着するように配置されていることを特徴とする。

実施例の照明装置では、凸部は前記モジュール基板において複数のＬＥＤ素子が実装された発熱領域の下に接触している金属体を有している。

照明装置では、モジュール基板の裏面（放熱面）に前記の放熱部材（ヒートシンク）が配置され、基板裏面と放熱部材との間の絶縁放熱材は、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂に熱伝導性を持たせるためセラミックなどのフィラーが含まれた部材で、市販品の中から最適な熱伝導性、仕様に合ったものを選択する事が出来る。また、さらに熱伝導性を高めた絶縁放熱材の開発も進められおり、熱伝導性と絶縁耐圧特性から高性能化も図れる。

実施例の小型化された照明装置では、モジュール基板の縁面は絶縁耐圧を確保するため、絶縁樹脂で覆い、裏面の絶縁放熱材も高い絶縁耐圧を有していることから、絶縁耐圧に対して考慮された構造にすることが可能である。

実施例のモジュール基板は金属体を使用し、高耐熱性の熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂を金属ベースの絶縁層として充填し、放熱部、及び電流回路部とは金属結合で高い接続信頼性を確保するモジュールである。
このモジュールは、高耐熱、高放熱面等において最も優れ、ハイパワーの発熱部品搭載可能な大電流、高耐熱、高放熱モジュールとして有効に活用できる。
そして、小型化で絶縁耐圧が確保できるパワーモジュールを提供することができる。

本発明の金属ベース材として、金属板、リードフレーム材などを容易に使用することができ、エッチング、外形加工などでコア部分を形成し、金属体の隣接間、及び上下間は高耐熱性樹脂の充填により絶縁層を形成し、表層には導体回路形成を行ない、放熱性に優れたパワー半導体部品を直接搭載できるパワーモジュールを実現し提供する。
金属ベース材としては、銅を主体に無酸素銅（記号：Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（記号：Ｃ１１００）とその他の銅合金、アルミ材など選択して使用する。
実施例は外層部にパターンを必要としていることから、導体と高耐熱性絶縁層の構造体の外層部に無電解銅メッキ、及び電解銅メッキを施した後に、感光性液状エッチングレジスト（又は、感光性ドライフィルムエッチングレジスト）の形成、露光、現像、エッチング工程を通してコアになる金属ベース部分との導体回路の配線を形成する。

本発明は、上記課題を解決するため、金属体と耐熱絶縁樹脂を導体モジュール構造、仕様に応じ成形、加工する製造プロセスが可能である。金属体との絶縁層の積層熱プレス、又は印刷充填によりパワー半導体向けなどの放熱性に優れた高耐熱性パワーモジュールを新たな製造法で高性能、かつ低コスト化を実現し、モジュール裏面に絶縁放熱材を介入、接着して周辺縁面部も含めて絶縁耐圧を確保することができる特徴がある。

本発明の実施例として、金属体の間に充填する絶縁層は高温に耐えられる高耐熱性樹脂で熱可塑性ＬＣＰ（液晶ポリマー）、熱硬化性樹脂でノボラック型、イミダゾール型エポキシ、シアネート樹脂など選択でき、ボイド発生無きように積層熱プレス、または真空印刷などで充填し、金属構造体との密着性を高め、外層部分の回路面と絶縁層を面一に配線と高放熱を実現するパワーモジュールを提供することができる。

高耐熱性樹脂としては、熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂のどちらでも選択でき、高耐熱性樹脂である上記エポキシ類を主体に、ＰＥＥＫ、フェノール、ＬＣＰ、ポリイミド、シアネート、スーパエンプラ系などからなる絶縁耐圧、機械強度高い樹脂などが使用できる。実施例ではエポキシ系樹脂に有機、無機フィラーを含んだ高耐熱の熱硬化タイプ樹脂開発を行ない、それを使用して充填した。実施例の高耐熱性樹脂の絶縁耐圧特性は８０ＫＶ／ｍｍ以上の樹脂を使用した。
絶縁するための樹脂は高耐熱、絶縁耐圧性能、各種物性仕様とコストを考慮しながら最適化を図ることが好ましい。これにより、より高温、及び厳しい温度サイクル環境に耐え最適で高信頼性、高耐熱、高放熱の絶縁耐圧を確保したパワーモジュールを提供することができる。

上記、金属構造体の導体配線と外層の導体配線を作成する場合、実施例として、無電解銅メッキ、及び電解銅メッキを２５μｍから１００μｍ程度に表層の回路面側に施し、その後、感光性エッチングレジスト、露光、現像、銅エッチングプロセスを行うことで、内層の導体配線と外層導体配線パターン形成、接続などを行なう事ができる。銅メッキを施す樹脂表面の外層部には、導体配線のためのメッキの密着強度をあげるため、絶縁層の樹脂面は銅メッキ前にあらかじめアンカー効果を十分上げる粗化処理を実施する。

実施例では金属構造体の内層導体パターン形成をエッチングすることで、凸形状にした後に、高耐熱性樹脂を充填する事でアプリケーションの仕様に準じて任意に絶縁層を入れることができる。

金属構造体の周辺縁面部は樹脂で充填することにより、小型化しても端面部には絶縁層が入り、表層導体パターン部、及び縁面部での絶縁耐圧を容易に確保することが出来る。
耐熱絶縁樹脂は、通常５０ＫＶ／ｍｍ以上の絶縁耐圧を有していることから、十分に縁面部分の絶縁を確保できる。

実施例のモジュール基板と放熱部材（ヒートシンク）間に入れる熱伝導性のある絶縁放熱材は、性能に合わせて市販の各種絶縁放熱材を選択することができる。熱抵抗を少なくするためには、極力膜厚を薄く絶縁耐圧を確保できるものが好ましい。現状では２５μｍ以上でエポキシ系、シリコーン系樹脂層とフィラーなど含んだものが多く、低熱抵抗、絶縁耐圧、接着力、保管性、耐熱性、接着法など考慮し、放熱性を維持しながら絶縁耐圧も確保できる適切な材料を選択することができる。

また、照明装置では、複数のＬＥＤ素子が樹脂で被覆されパッケージ化していることが好ましいが、コスト面、光指向性などを考慮するとＣＯＢ（Ｃｈｉｐ ｏｎ Ｍｏｄｕｌｅ）タイプが好ましい。

また、照明装置では、モジュール基板が従来絶縁層のあるセラミック、アルミ材などをベース材料としていたが、本発明の金属体の銅、アルミ材料、または合金などを使用することで放熱性能を上げ課題の解決が図れる。
コスト面ではセラミック材よりも、さらに安価に提供出来るなどのメリットがある。

また、照明装置では、ソルダーレジスト面は一般的に反射率が高い白色で、耐熱、紫外光などに対し変色率が少ないことが好ましい。もしくは、表面処理として銀めっきを実施し、硫化防止コートを実施する場合もある。流化防止にはフッソコートなどもその一例である。

上記の照明装置では、放熱部材（ヒートシンク）上に絶縁放熱材を介して、パワーモジュール基板を積層している。発熱源となるＬＥＤ素子の実装領域の導体部直下には絶縁放熱材（熱伝導性樹脂）が直接的に接触している。電力供給を受けるための端子の直下及びモジュール基板の周辺部には、絶縁樹脂を充填するため高い絶縁耐圧を維持できる。ＬＥＤ素子の実装領域におけるモジュール基板と放熱部材（ヒートシンク）は絶縁放熱材（熱伝導性樹脂）を介してより効率の良い放熱経路を確保できる。したがって、上記照明装置では、絶縁放熱材と縁面部を絶縁することによりモジュール基板を小型化しても、高い放熱性を維持しながら十分な絶縁耐圧を確保できる。

本発明により、高耐熱、高放熱性、及び小型化しても縁面が十分な絶縁耐圧を確保したパワーモジュールを提供することができる。
また、設計の自由度ある構造設計などを実施することができ、シンプルな工程でパワーモジュール基板を多面付けにして製造実施できることから量産性ある生産に適している。

次世代パワーモジュールにおいても絶縁放熱材、またはセラミック（アルミナなど）類を組み合わせて絶縁耐圧を図ることにより、小型、高性能化でき、モジュール基板作成時に大判サイズの多面付けによる製造プロセスでの生産を実施でき、効率的生産を図ることができる。

（プロセス概要）
コア部分の金属体を中心に先に構造体の導体部分を形成し、配線仕様などに準じ、内層導体回路を形成し、その形成された金属構造体層間には、高耐熱性絶縁樹脂を充填する。
その後、下記のように外層部分の配線回路を実施し、パワーモジュール基板裏面に絶縁放熱材を接着することにより、高放熱、大電流などに適したパワーモジュール基板を生産する。
これにより、小型化しても絶縁耐圧が確保された適切なパワーモジュールを提供する事が出来る。
主な概略プロセスは次の通りとなる。
１）金属構造体の内層にあたる導体部分を金属ベース材にて作成
コアになる金属構造体部分を最初に作成する。金属板、又はリードフレーム材などに構造に応じて金型プレス、又はエッチングを実施し、コア部分を最初に形成する。また、さらに構造に応じて凸凹など必要な場合は、さらに追加エッチングなどにて形成を実施する。
２）金属構造体の上下表層部分を研磨、及び金属体部分を全面粗化実施
３）金属構造体に高耐熱性樹脂の充填（印刷、または積層熱プレス）
耐熱性樹脂は熱硬化性、又は熱可塑性樹脂から選択する。
充填、硬化後に外形加工部分の絶縁層の挿入が必要な縁面部をエッチング実施し、粗化後に高耐熱性樹脂を充填し、縁面部を樹脂で覆う。
この時にエッチングで上下貫通して支持部分がなくなる場合は、上下からのエッチングで支持部分を残し、耐熱性樹脂充填、プレキュア後に、反対面からエッチングして残りの部分に耐熱性樹脂を充填して硬化させる。
支持部分が有る場合は、そのまま樹脂充填後に硬化させる。
４）金属構造体に耐熱性樹脂充填された外層部をセラミックバフにて、上下の表面を研磨してフラットにした後に粗化する。
５）無電解銅メッキ後、電解銅メッキプロセスにより表層全面にパネルメッキを実施する。
６）外層部の配線回路形成のため、感光性エッチングレジスト（又は、感光性ドライフィルムエッチングレジスト）を実施する。
７）感光性エッチングレジスト、又はドライフィルムへの露光工程を実施する。
８）パターンレジストの現像工程を実施する。
９）配線回路形成のため、エッチング工程でパターン形成を実施する。
１０）ソルダーレジスト形成工程を実施する。
１１）表面処理（フラックス、金メッキ、銀メッキなど）の工程を実施する。
１２）モジュール基板をＶカット、又は金型プレスなどで個片化処理を実施する。

ＬＥＤパワーモジュールの断面図 ＬＥＤパワーモジュールの平面図 ＬＥＤパワーモジュールの実装断面図 パワー半導体搭載モジュールの概略平面説明図 パワー半導体搭載モジュールの断面説明図 パワー半導体搭載モジュールの導体回路と実装例の平面図 パワー半導体搭載モジュールの断面説明図（３層構造体と放熱部材統合） パワー半導体搭載モジュールの断面説明図（３層構造体と放熱部材統合） パワー半導体搭載モジュールの断面説明図（小径バンプ付き接合） パワー半導体搭載モジュールの断面説明図（小径バンプ付き接合）

１：金属体（銅板、リードフレーム材）など
２：電流、又は放熱用導体（配線）回路
３：表層部導体（配線）回路
４：内層導体回路
５：高耐熱性樹脂
６：コンデンサ部品（実装）
７：抵抗部品（実装）
８：ソース／ゲート電極
９：放熱部材（アルミヒートシンク）など
１０：パワー半導体（ＳｉＣ）など
１１：金属ブロック
１２：コレクタ電極
１３：銅金属プレート
１４：小径金属柱
１５：絶縁放熱材
１０１：金属体
１０２：導体回路パターン
１０３：高耐熱絶縁樹脂
１０４：絶縁放熱材（熱伝導材）
１０５：発熱部品（ＬＥＤ素子など）
１０６：放熱部材（ヒートシンクなど）

図面、符号などに基づき実施例を下記に記述する。
実施例における、図１はＬＥＤパワーモジュールの断面図を示す。
パワーモジュール基板は、ベース材が金属体からなる構造であり、厚さが０．６ｍｍから１．０ｍｍ程度を標準とする。コアになる金属構造体部分には熱伝導性が高い金属類が使用され、他の素材に比較して小型化に有利である。仕様に応じて前記の様々な金属類を選択できる。

発熱部品（ＬＥＤ素子）１０５は、ＣＯＢモジュールなどとして、直接実装され、高熱を発する部品であることから直下に放熱できるように放熱導体部分を設けている。
ＬＥＤ素子がダイボンディングされ、またＬＥＤ素子間はＣＯＢモジュールの場合、ワイヤーボンディングするため、ボンディンする部分の表面処理はボンディング金メッキなどが施される。
ダイボンディングされない部分は、反射率を上げるため白色レジスト、又は銀メッキを施し、その皮膜部分に銀硫化防止コート剤などで処理するのが好ましい。
ＬＥＤ向けなどの銀硫化防止コート剤としては、耐硫化性能の高いフッソ皮膜などが硫化、吸湿を防止するひとつの方法でもあるが、その他に硫化防止の電解メッキ等してもよい。

耐熱性樹脂１０３は放熱導体部分を取り囲むように樹脂が充填され、縁面部にも金属体が露出しないように樹脂で絶縁を施すことにより、沿面からの絶縁耐圧を確保できるようにする。
導体回路パターン１０２は、発熱部品１０５などにワイヤーボンディングなど行うための回路パターンで絶縁層によってコア部分の金属体とは分離されている。
実施例における絶縁層の絶縁耐圧は８０ＫＶ／ｍｍ以上であることから、例えば絶縁部を２００μｍ厚みでは１０ＫＶ以上の絶縁耐圧が十分確保できる。

絶縁放熱材１０４は放熱部材（ヒートシンク）１０６との間に挿入されて、小型化においても沿面距離を気にしなく上記パワーモジュール基板と放熱性を保ち絶縁耐圧を確保できる。
絶縁放熱材は、熱抵抗を小さくするためフィラーなどを含むが、４ＫＶ以上の絶縁耐圧を確保するためには５０μｍ以上程度が好ましい。
絶縁放熱材のパワーモジュール基板への接着法としては実施例では熱プレスなど使用する。
放熱性、耐熱性などが重要であることからエアー混入など接着面に入らないよう処理する。

図２は、ＬＥＤ搭載パワーモジュールの平面図を示す。
発熱部品１０５は、金属体１０１のセンター位置に実装され、高耐熱性樹脂１０３は外形縁面部に充填されていることから、小型化されても端面部からの絶縁耐圧を十分確保することができる。実施例では端面からの絶縁距離を１ｍｍ以上とした。従って厚み方向の絶縁も含めて加えると縁面における絶縁耐圧を十分確保することが出来る構造とした。

図３は、ＬＥＤ搭載パワーモジュールの実装断面図を示す。
導体回路パターン１０２から、発熱部品であるＬＥＤ素子にワイヤーボンディングされて電極間に電圧が印加され、パワーモジュール基板として使用される。良好な熱伝導が行われるよう発熱部品から直下の金属体へ伝えられる。銅を使用した場合の熱伝導率は約３９８Ｗ／ｍＫでセラミックよりかなり高い。金属体から絶縁放熱を経由して放熱部材（ヒートシンク）へ放熱される。
放熱方向、絶縁性などはこのモジュール構造から読み取ることが出来る。

実施例における、図４は、上面から見たパワー半導体搭載モジュール平面図を表す。
この平面図は、導体回路、及びパッドなどが見られ、導体間は１８０℃以上に耐える高耐熱性樹脂５による絶縁樹脂にて形成される。この高耐熱性樹脂５は熱硬化、熱可塑性のどちらでも選択でき、主にノボラック型、イミダゾール型エポキシ、フェノール類、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ポリイミド、ポリアミドイミド、スーパエンプラ、シアネート、ＢＴレジン他の耐熱高分子材料など選択でき、高耐熱、高絶縁耐圧性を持つ材料を使用する。
配線導体間の距離、パッドの形状（パターン）などはそれぞれのパワーモジュール仕様、絶縁耐圧に耐えられる沿面距離等を考慮して設計、配置する。通常パワーデバイスが搭載される側は主に高放熱を行うためのヒートシンクなどが配置されるケースが多いが、表裏は金属構造体を直接介した導体金属結合で熱伝導率（約３９０Ｗ／ｍＫ）の良好な放熱動作が行われる構造をとることができ、発熱部が高温になることを緩和することができる。

金属体としては、種々の合金類、無酸素銅（記号：Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（記号：Ｃ１１００）等が選択でき、例えば、厚みは２００μｍから５００μｍで大電流に対応することができる。
次世代パワー半導体向けなどは５００μｍ以上で、電流量、パワーモジュール仕様に応じて構造を設定することが可能である。従って、加工性、電気伝導性、電流容量、配線、パッド、パターンなど設計考慮し、金属材料、厚みなどを選択して最適化できる。

金属体の導体回路形成方法としては、エッチングによる形成、金型プレスによる打ち抜きなど種々有り、パターンの同一性、生産性の面から好ましい方を選択できる。
金型プレスによる形成の場合は、バリなどが発生しやすいことから、樹脂充填前には機械研磨、若しくは化学研磨工程を経て、バリ等を事前除去し、滑らかに平坦化しておく必要がある。
機械研磨としてはセラミックバフなど活用し、金属体の上下面に沿って移動させ平坦化する事が出来る。研磨後は、高耐熱性樹脂との密着力をあげるために化学研磨などにより金属構造体の密着部全面に事前に粗化する。

導体回路形成された金属構造体に高耐熱性樹脂を充填するに当たっては、以下の２つの方法がある。
ひとつは熱硬化性樹脂を充填する方法で、インク状樹脂の場合は高温で軟化、脱泡して、メタルマスク、又はシルクスクリーン印刷法にてスキージなどを使用し真空充填などを実施し、その後に熱硬化させる。
もう一方は、熱可塑性樹脂の充填方法で、ＬＣＰ（液晶ポリマー）などは耐熱性樹脂シートを高温（３００℃以上）で積層熱プレスを行ない、金属体間へ絶縁層を積層封入し成形する。
樹脂成形方式としては、射出成形やトランスファー成形が一般的に利用されている。
熱硬化性樹脂では、高耐熱性のノボラック型エポキシ樹脂、イミダゾール型エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ、シアネート樹脂他など多品種の高耐熱性樹脂から選択し、充填することでパワーデバイス向けに大電流、高放熱で性能の高いパワーモジュールを提供できる。

シート状のプリプレグ材料を使用の場合は、金属構造体のベースになる導体回路化された金属体に耐熱性絶縁樹脂のシートをレイアップし、その上下には離型性を有するクッション材を配置し、プレス板（ＳＵＳ板）で挟むことが好ましい。熱プレスの熱盤とＳＵＳ板等のプレス板間には、クッション材など離型紙を置くことにより、打痕の防止とプレス押圧力が均一になるように配置する。

上記レイアップ後は、樹脂により選択された温度プロファイルに準じて、熱プレスによる積層を実施し、その結果は図７、図８、図９、又は図１０に示される積層体構造を得ることができる。
熱プレスによる熱硬化樹脂に対する硬化温度は一例として１６０℃から１８０℃範囲で、圧力は２ＭＰａから３ＭＰａが適切であるが、熱可塑性樹脂の温度は３００℃以上必要とする場合もある。

これらの絶縁層としての耐熱性樹脂は熱硬化、熱可塑性のどちらでも可能で、主にノボラック型、イミダゾール型エポキシ、フェノール類、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ポリイミド、ポリアミドイミド、スーパエンプラ、シアネート、ＢＴレジン他の耐熱高分子材料など選択でき、高耐熱、絶縁、高絶縁耐圧性を持つものが使用できるが、それぞれ耐熱性樹脂仕様に準じ、樹脂充填に必要な温度プロファイルを最適化する。

どちらの耐熱性樹脂を使用した場合も、金属体表面に仮に樹脂が付着した場合、セラミックバフなどにて表面研磨を実施し、平坦化して上面の樹脂を完全に除去する。
その後、パネルメッキなど銅メッキを実施するにあたり、密着強度を確保するため樹脂面はあらかじめ機械研磨、化学研磨、又は、光研磨などで樹脂表面を粗化、又は改質を実施する。

高耐熱性樹脂が充填され表面が平滑化された金属構造体基板に対し、パラジューム触媒など添加し、無電解銅メッキ、電解銅メッキ（パネルメッキなど）を全面に実施する。
モジュールが多面付けの大判サイズのパネルメッキ表面が平坦、平滑になっているかを確認し、その後導体回路形成を実施するために、機械研磨、化学研磨などで表面を平坦化、平滑に仕上げる。

平滑化された外層部分の導体回路を形成するために、感光性液状エッチングレジスト、又はドライフィルムエッチングレジストをラミネートし、配線パターンフィルムなどに合わせて露光工程を実施する。通常、配線の必要な部分は露光によりレジスト硬化させ、配線のない未露光部分はそのままのレジストを残す。

外層部分が露光された金属体基板は、炭酸ナトリウム水溶液にて導体回路形成のため現像工程を実施する。露光された部分はレジストが硬化され配線部分を残すことができる為、エッチングを塩化第二鉄、又は塩化第二銅溶液にて実施し、露光部分以外の金属部を除去する。エッチング後は残された感光性レジストなどを水酸化ナトリウム水溶液にて剥離し、洗浄、乾燥させることにより導体回路を形成する。

外層の導体回路形成後、ソルダーレジストなどを施した後に、表面処理を実施する。
表面処理は金属の導体上に、ニッケル（Ｎｉ）メッキ、金（Ａｕ）メッキなどパワーデバイス搭載に適した表面処理仕様にて仕上げる。例えば、Ａｕ−Ｓｎ共晶などで半導体素子など接合実装する場合は、同種のフラシュ金メッキ、金メッキなどが好ましい表面処理となる。

パワーモジュール基板は、ボードに多面付けされた状態になっているため、プレス金型、Ｖカット、ルータ、レーザなどで外形を個片化処理し、面付けを分離することができる。

（モジュール構造図、特徴、及びその詳細説明）
実施例における図５はパワー半導体搭載モジュール概略平面説明図１のＡ−Ａ’断面図の例である。構造図、特徴とその製造法など詳細の説明については以下の通りである。
コアになる金属板に高耐熱性樹脂５が充填され、導体回路の配線、パッドなどが表裏に形成され、放熱金属体２及び導体回路３など前記金属体と電気的に導通されていることを特徴に、表裏と内層に任意に配置することができる。従って、導体配線は上下の外層面とコアになる部分を使用して自由に配線する事ができ、放熱導体２も電気回路などと分離絶縁して発熱部から直接直下、もしくは直上に金属結合で配置することもできるため、さらなる高放熱性が得られる構造を容易に構築することができる。
大電流、又は放熱導体回路２と表層導体回路３は金属体１に外層部と銅メッキにて結合され、内層導体回路４は配線回路として表層部と裏面接合、及び表層部と内層接合など自由に設ける事ができる。
金属体と充填樹脂は密着強度を高め、表裏に金属結合されている部分は表裏のパッドと内部の導体部より少し広く設定することで絶縁層の耐熱性樹脂と構成する金属部とをしっかり密着固定することができる。

実施例における図６は、図４の説明に追加して実装部品である抵抗７、コンデンサ６、パワーデバイス１０などを実装する場合の平面図の一例を示す。図７、図８は、Ａ−Ａ’から見た断面図を示し、上側には電子部品として、抵抗７、コンデンサ６、ソース／ゲート電極８が配置され、下側にはパワーデバイス部１０は発熱が最も高いため、金属プレート１３を介してヒートシンク９などが実装されるモデルの実施例となっている。金属プレート１３と放熱ヒートシンク９間には通常は絶縁放熱１５、放熱接着剤などでしっかり密着固定される。
図７と図８との相違は、コンデンサ６と抵抗７間の導体回路を裏面の導体パターン経由にした場合と、より近く導体回路を配置した場合の断面構造の差を表している。

大電流が流れる導体回路（金属部）は、内層の導体パターン厚、パターン幅などは仕様に応じて幅広にすることなどにより、熱抵抗、電力損失などを低減することができる。
また、実施例では発熱高いパワーデバイス部品などはヒートシンク側９に実装し、電子部品のコンデンサ６、抵抗７、集積回路などは反対（裏面）側に分散配置し実装することで、温度サイクル条件などが厳しい環境下においても、実装される部品との間で熱などに伴う半田クラックなどの防止、及び低減することも可能である。

外層導体回路のパッド部とそれに接続される内層導体回路部は、金属結合のため、変化量大きい温度サイクル、熱膨張などにおける長期信頼性おいても問題なく、高い接続信頼性のパワーモジュールを提供することができる。
また、外層導体回路部のパッドサイズ、形状など製品仕様に応じて３層構造にする事が出来、任意に金属構造体など構造設計し、構成することができるなどの特徴がある。

実施例における図９、図１０は、高発熱部分の熱影響を緩和するために、発熱量の大きいパワーデバイスと直接接触するパワー半導体１０部分などを金属柱のある放熱構造にした断面図を示す。
図７、図８からの進展形として、発熱部品との熱の影響を減少させるため、上側実装部品のコンデンサ６、抵抗７とヒートシンク９間は金属体を柱構造の金属柱１４にすることで熱による影響緩和を図る。熱部品が搭載される下側には、熱緩和などを行うため金属柱を形成する場合には、金属体下面側を図のようにエッチングする。金属柱の大きさ、配置、数量、高さは製品仕様に応じて任意に設計し、形成することができる。コア部分の金属部厚みにも影響するが、実施例として、通常金属柱部分の高さは０．２ｍｍから０．６ｍｍであるが、事前に熱シュミレーションによってある程度評価した上で、設計、構造化するのが好ましい。

ヒートシンク９の材料としてはアルミ、又は銅が好ましい。アルミは銅より熱伝導率が低いが、軽量、小型化、低コスト化の面から適している。
ヒートシンク９は、絶縁放熱材（熱伝導性樹脂）１５を介して接着され、絶縁、絶縁耐圧などを確保できる構造を施す必要がある。
大電流は、ソース電極／ゲート電極８、及びコレクタ電極１２を通し、パワーデバイス部が最も高温となるため、接触する部分を金属柱構造１４にする。金属柱の高さ、太さ、数量、形状などは任意に設定することができることから、最適な構造での提供が可能である。
また、断面図の上部に当たるコンデンサ６側、抵抗７側の部品実装側にも金属柱の構造を施すことができる。

通常、熱硬化タイプの耐熱性樹脂を使用する場合は、脱泡後スクリーンメッシュ、又はメタルマスクなど利用してスキージなどで印刷充填する。または、真空印刷を活用して充填し、高温にて軟化後にセミキュアさせ、さらにポストキュアして高温で最終的に熱硬化させる。
シート状プリプレグを使用する場合は、モジュール基板のベースになる外形パターン化された金属体に耐熱性絶縁樹脂のシートをレイアップし、その上下には離型性を有するクッション材を置き、プレス板（ＳＵＳ板）で挟むことが好ましい。熱プレスの熱盤とＳＵＳ板等のプレス板間には、クッション材などの離型紙を置くことにより、打痕の防止とプレスの押圧力が均一になるように配置する。
上記レイアップ後は、選択された耐熱絶縁樹脂の積層温度プロファイルに準じ、真空熱プレスによる積層を実施し、その結果は図７、図８、図９、又は図１０に示されるパワーモジュール用の３層構造モジュールの積層体を得ることができる。

実施例として、熱可塑タイプの耐熱樹脂ＬＣＰなどを使用する場合、シート状に樹脂を熱盤を有した真空積層熱プレスにて（ＯＭＰａ、２６０℃にて１５分）、（４ＭＰａ、３００℃にて１０分）経過後に１００℃で硬化させる。耐熱樹脂ＬＣＰ（液晶ポリマー）は熱膨張係数（１８ｐｐｍ／℃）が銅と同様に小さいグレードの素材も有り、耐薬品性、耐熱性、機械的強度が優れており、上記の熱硬化樹脂と同様に、金属体厚み１ｍｍ程度の積層構造体を持つパワーモジュールの絶縁層として充填などに適用することもできる。

モジュール基板表面平坦化のために、一例として、耐熱樹脂塗布後の基板に対し、セラミックバフなど使用し（コンベア速度：１ｍ／ｍｉｎ程度）表面を研磨する。金属体の表面が平滑になるまで研磨を実施し、モジュール基板表面を平坦かつ平滑化する。その後、密着強度を上げるために、表面は前記のように粗化、改質などを実施する。

表層部が平坦化されたモジュール基板に対し、パラジウム等のメッキ触媒を付着させ、無電解メッキに電解メッキの処理により、導体厚仕様に準じて表面を２０μｍ以上に銅メッキを施す。
無電解メッキは、銅、ニッケルなどのメッキ液が使用されるが、その後に図７、及び図８の断面構造に示されるようにするには、エッチングにて大電流、又は放熱導体回路２、内層導体回路４を形成するため銅が好ましい。
表面に全面電解銅メッキを施した後に、感光性エッチングレジストなどラミネートし、導体回路２、３、４のパターン形状に応じて露光、現像、エッチングを実施し、形成する。
エッチング後は、残されたドライフィルムエッチングレジストなどを水酸化ナトリウム水溶液にて剥離し、その後洗浄、乾燥させることにより導体回路を形成することができる。

表層部導体回路面に、ソルダーレジストを塗布し、導体回路形成後の表面処理を仕様に準じたメッキで表面処理を実施する。表面処理としては、ニッケル（Ｎｉ）メッキ、金（Ａｕ）メッキなど施される。パワーデバイスの実装搭載に適した表面処理仕様を実施する。

表層導体回路とコアになる金属構造体が一体で金属結合して形成されている構造の為、大電流、放熱導体回路などを図５に示されるように決められた位置に絶縁樹脂と密接に密着させることができる。
高耐熱性樹脂５は内層導体部分を取り囲むように樹脂が充填され、縁面部にも金属体が露出しないように樹脂で絶縁を施すことにより、沿面からの絶縁耐圧を確保する。
金属構造体の外形周辺部は樹脂で充填することにより、端面部には絶縁層が入り、表層導体パターン部、内層導体パターン部、及び縁面部での絶縁耐圧を容易に確保することが出来る。
実施例で使用する耐熱絶縁樹脂は、８０ＫＶ／ｍｍ以上の絶縁耐圧を有していることから、小型化してもパワーモジュール基板の放熱性を維持しながら十分な縁面絶縁耐圧を確保することができる。
その後の工程で個片化のため外形加工を実施する。外形加工後は、図４の概略平面説明図に示す形状となる。実施例としては、金型プレス打抜き、Ｖカット、ルーター、レーザカットなど仕様に沿って外形加工を仕上げる。

上記、実施例によるパワーモジュール製造により、表層部の導体回路と導体厚を高めた大電流導体回路をそれに伴う発熱に耐える積層構造体で、表裏の実装回路面にパワーデバイス部品、パッケージ部品などを搭載して放熱、拡散性を高め、小型化しても放熱性を維持し十分な縁面絶縁耐圧を確保して、部品長寿命化、コンパクト化、軽量化に適した課題を解決するパワーモジュールを提供することができる。

Claims (6)

1. 金属構造体をコアに高耐熱性絶縁樹脂を充填して構成され、金属体上面に複数のＬＥＤ素子が実装され、金属体を通して放熱するモジュール基板裏面に放熱部材（ヒートシンク）を有し、そのモジュール基板底面の放熱部との間に絶縁放熱材を接触するように配置し、小型化しても放熱性を維持しながら縁面部の絶縁耐圧なども充分確保できることを特徴とするパワーモジュール。
2. 金属構造体をコアに高耐熱性絶縁樹脂を充填して構成され、表裏の導体回路とコアの金属体と金属結合を特徴とする高放熱性能のパワー半導体搭載モジュールであり、大電流導体回路と制御用導体回路を表裏に同一平面で併設する。小型化しても放熱性を維持しながら縁面部の絶縁耐圧を充分確保でき、２層、又は３層の構造体も持つことができるパワーモジュールである。また、そのパワー半導体搭載モジュールの放熱部材（ヒートシンク）との間に絶縁放熱材が接触するように配置する場合もある。
3. 前記金属構造体のベース材は、タフピッチ銅、無酸素銅、アルミ材、その他のリードフレームなど合金を含む金属のいずれかひとつに記載の材料。
4. 前記パワーモジュール基板と放熱部材（ヒートシンク）との間に絶縁放熱材が接触して配置される請求項１、２記載のパワーモジュール。
   絶縁放熱材としては、熱伝導性を有した絶縁樹脂、絶縁シート、セラミック、セラミックコートなどの放熱材を含む。
5. 請求項１、２に充填される耐熱性絶縁樹脂は、シート状樹脂、または固形樹脂を軟化させて印刷、又は積層プレスにて充填する熱硬化性、及び熱可塑性の耐熱性絶縁樹脂。
6. 請求項１，２記載のパワーモジュールベースになるパワーモジュール基板の製造方法。

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