JP2021145094A - ヒートシンク一体型絶縁回路基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度変化によって反りが生じた場合であっても、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制でき、信頼性に優れたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供する。【解決手段】天板部２１と放熱フィン２２を備えたヒートシンク２０と、このヒートシンク２０の天板部２１に形成された絶縁樹脂層１２と、絶縁樹脂層１２のヒートシンク２０とは逆側の面に配設された金属片からなる回路層１３と、を備え、ヒートシンク２０の天板部２１の最大長さをＬ、ヒートシンク２０の天板部２１の反り量をＺ、ヒートシンク２０の天板部２１の接合面側に凸状の変形を正の反り量とし、ヒートシンク２０の曲率をＣ＝｜（８×Ｚ）／Ｌ２｜と定義した場合に、２５℃から３００℃まで加熱した際のヒートシンク２０の最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と絶縁樹脂層１２のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが、Ｐ／Ｃｍａｘ＞６０である。【選択図】図１
Description
この発明は、放熱フィンを備えたヒートシンクと、このヒートシンクの天板部に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層の一方の面に形成された回路層と、を備えたヒートシンク一体型絶縁回路基板に関するものである。
パワーモジュール、ＬＥＤモジュールおよび熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子および熱電素子が接合された構造とされている。なお、絶縁層としては、セラミックスを用いたものや絶縁樹脂を用いたものが提案されている。
絶縁樹脂層を備えた絶縁回路基板として、例えば特許文献１には、放熱フィンを備えたヒートシンクと回路層とを絶縁樹脂シートによって絶縁した放熱フィン一体型絶縁回路基板が提案されている。
絶縁樹脂層を備えた絶縁回路基板として、例えば特許文献１には、放熱フィンを備えたヒートシンクと回路層とを絶縁樹脂シートによって絶縁した放熱フィン一体型絶縁回路基板が提案されている。
また、特許文献２には、熱発生部材の少なくとも一つの面に熱伝導性絶縁接着膜を介して放熱ベース基板が接着された複合部材が開示されている。この特許文献２においては、温度変化に伴う放熱部材および熱発生部材の膨張または伸縮から生じる応力によって熱伝導性絶縁接着膜にクラックが生じることを抑制するために、せん断接着力と熱応力の関係、および、破断伸度と熱歪との関係を規定している。
ところで、放熱フィンを備えたヒートシンクの天板部に絶縁樹脂層を形成し、この絶縁樹脂層の上に回路層を形成したヒートシンク一体型絶縁回路基板においては、温度変化によって反りが生じることがある。特に、放熱フィンを備えたヒートシンクにおいては、放熱フィンが形成された箇所と放熱フィンが形成されていない箇所とで厚さが異なるため、反りが生じやすい傾向がある。
ヒートシンク一体型絶縁回路基板において反りが生じた場合には、回路層の端部が絶縁樹脂層から剥離したり、この剥離が絶縁樹脂層の内部に進展したりしてしまうおそれがあった。
ここで、特許文献２においては、面内の応力やひずみについては評価しているが、面に直交する方向についての応力については考慮されていない。このため、回路層の剥離や絶縁樹脂層の内部剥離については対応していない。
ヒートシンク一体型絶縁回路基板において反りが生じた場合には、回路層の端部が絶縁樹脂層から剥離したり、この剥離が絶縁樹脂層の内部に進展したりしてしまうおそれがあった。
ここで、特許文献２においては、面内の応力やひずみについては評価しているが、面に直交する方向についての応力については考慮されていない。このため、回路層の剥離や絶縁樹脂層の内部剥離については対応していない。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、温度変化によって反りが生じた場合であっても、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制でき、信頼性に優れたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供することを目的としている。
前述の課題を解決するために、本発明のヒートシンク一体型絶縁回路基板は、天板部と放熱フィンとを備えたヒートシンクと、前記ヒートシンクの前記天板部に形成された絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の前記ヒートシンクとは逆側の面に回路パターン状に配設された金属片からなる回路層と、を備え、前記ヒートシンクの前記天板部の最大長さをＬとし、前記ヒートシンクの前記天板部の反り量をＺとし、前記ヒートシンクの前記天板部の前記絶縁樹脂層との接合面側に凸状の変形を正の反り量とし、前記ヒートシンクの曲率をＣ＝｜（８×Ｚ）／Ｌ２｜と定義した場合に、２５℃から３００℃まで加熱した際の前記ヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、前記絶縁樹脂層のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが、Ｐ／Ｃｍａｘ＞６０であることを特徴としている。
この構成のヒートシンク一体型絶縁回路基板によれば、２５℃から３００℃まで加熱した際における前記ヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、前記絶縁樹脂層のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが、Ｐ／Ｃｍａｘ＞６０であることから、反りによる応力に対して十分なピール強度が確保されており、温度変化によってヒートシンクに反りが生じた場合であっても、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制することが可能となる。
ここで、本発明のヒートシンク一体型絶縁回路基板においては、前記回路層の厚さｔＣと前記ヒートシンクの前記天板部の厚さｔＨとの比ｔＣ／ｔＨが、０．５≦ｔＣ／ｔＨ≦１．５を満足することが好ましい。
この場合、絶縁樹脂層を介して配置される前記回路層の厚さｔＣと前記ヒートシンクの前記天板部の厚さｔＨとの比ｔＣ／ｔＨが大きく異なっておらず、反り量を比較的低く抑えることが可能となる。
この場合、絶縁樹脂層を介して配置される前記回路層の厚さｔＣと前記ヒートシンクの前記天板部の厚さｔＨとの比ｔＣ／ｔＨが大きく異なっておらず、反り量を比較的低く抑えることが可能となる。
また、本発明のヒートシンク一体型絶縁回路基板においては、２５℃から３００℃まで加熱した際の前記ヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、前記絶縁樹脂層のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが、Ｐ／Ｃｍａｘ＞９０であることが好ましい。
この場合、反りによる応力に対してさらに十分なピール強度が確保されており、温度変化によってヒートシンクに反りが生じた場合であっても、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制することが可能となる。
この場合、反りによる応力に対してさらに十分なピール強度が確保されており、温度変化によってヒートシンクに反りが生じた場合であっても、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制することが可能となる。
さらに、本発明のヒートシンク一体型絶縁回路基板においては、前記絶縁樹脂層は、無機材料のフィラーを含有していることが好ましい。
この場合、絶縁樹脂層の熱伝導性が確保されることから、放熱特性に優れており、回路層の上に搭載された熱源からの熱をヒートシンク側で効率良く放熱することができる。
この場合、絶縁樹脂層の熱伝導性が確保されることから、放熱特性に優れており、回路層の上に搭載された熱源からの熱をヒートシンク側で効率良く放熱することができる。
本発明によれば、温度変化によって反りが生じた場合であっても、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制でき、信頼性に優れたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供することが可能となる。
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板１０およびこのヒートシンク一体型絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
図１に、本発明の実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板１０およびこのヒートシンク一体型絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
図１に示すパワーモジュール１は、ヒートシンク一体型絶縁回路基板１０と、このヒートシンク一体型絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。ヒートシンク一体型絶縁回路基板１０と半導体素子３とを接合するはんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
ヒートシンク一体型絶縁回路基板１０は、ヒートシンク２０と、このヒートシンク２０の天板部２１の一方の面（図１において上面）に形成された絶縁樹脂層１２と、絶縁樹脂層１２の一方の面（図１において上面）に形成された回路層１３と、を備えている。なお、上述の半導体素子３は、回路層１３の一方の面（図１において上面）に接合される。
ヒートシンク２０は、天板部２１と、この天板部２１の他方の面（図１において下面）から突出した放熱フィン２２と、を備えている。
このヒートシンク２０においては、天板部２１で熱を面方向に拡げるとともに、放熱フィン２２を介して外部に放熱する構成とされている。このため、ヒートシンク２０は、熱伝導性に優れた金属、例えば銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。本実施形態では、アルミニウム合金（Ａ６０６３）で構成されている。
ここで、ヒートシンク２０の天板部２１の厚さは０．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
なお、ヒートシンク２０は、放熱フィン２２がピンフィンとされた構造であってもよいし、放熱フィン２２が櫛形に形成された構造であってもよい。また、放熱フィン２２が形成された箇所における放熱フィン２２が占める体積割合を１０％以上４０％以下の範囲内とすることが好ましい。
このヒートシンク２０においては、天板部２１で熱を面方向に拡げるとともに、放熱フィン２２を介して外部に放熱する構成とされている。このため、ヒートシンク２０は、熱伝導性に優れた金属、例えば銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。本実施形態では、アルミニウム合金（Ａ６０６３）で構成されている。
ここで、ヒートシンク２０の天板部２１の厚さは０．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
なお、ヒートシンク２０は、放熱フィン２２がピンフィンとされた構造であってもよいし、放熱フィン２２が櫛形に形成された構造であってもよい。また、放熱フィン２２が形成された箇所における放熱フィン２２が占める体積割合を１０％以上４０％以下の範囲内とすることが好ましい。
絶縁樹脂層１２は、回路層１３とヒートシンク２０との間の電気的接続を防止するものであり、絶縁性を有する樹脂で構成されている。
本実施形態では、絶縁樹脂層１２の強度を確保するとともに、熱伝導性を確保するために、無機材料のフィラーを含有する樹脂を用いることが好ましい。ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を用いることができる。絶縁樹脂層１２における熱伝導性を確保する観点から、フィラーの含有量は５０ｍａｓｓ％以上であることが好ましく、７０ｍａｓｓ％以上であることがより好ましい。
また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，シリコン樹脂等を用いることができる。ここで、シリコン樹脂であればフィラーを７０ｍａｓｓ％以上含有することができ、エポキシ樹脂であればフィラーを８０ｍａｓｓ％以上含有することができる。
本実施形態では、絶縁樹脂層１２の強度を確保するとともに、熱伝導性を確保するために、無機材料のフィラーを含有する樹脂を用いることが好ましい。ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を用いることができる。絶縁樹脂層１２における熱伝導性を確保する観点から、フィラーの含有量は５０ｍａｓｓ％以上であることが好ましく、７０ｍａｓｓ％以上であることがより好ましい。
また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，シリコン樹脂等を用いることができる。ここで、シリコン樹脂であればフィラーを７０ｍａｓｓ％以上含有することができ、エポキシ樹脂であればフィラーを８０ｍａｓｓ％以上含有することができる。
なお、絶縁樹脂層１２における絶縁性を十分に確保するためには、絶縁樹脂層１２の厚さの下限を２５μｍ以上とすることが好ましく、５０μｍ以上とすることがより好ましい。一方、ヒートシンク一体型絶縁回路基板１０における放熱性をさらに確保するためには、絶縁樹脂層１２の厚さの上限を３００μｍ以下とすることが好ましく、２００μｍ以下とすることがより好ましい。
回路層１３は、図５に示すように、絶縁樹脂層１２の一方の面（図５において上面）に、導電性に優れた金属からなる金属片３３が接合されることにより形成されている。金属片３３としては、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等を用いることができる。本実施形態においては、回路層１３を構成する金属片３３として、無酸素銅の圧延板を打ち抜いたものが用いられている。
この回路層１３においては、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
この回路層１３においては、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
ここで、本実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板１０においては、回路層１３（金属片３３）の厚さｔＣとヒートシンク２０の天板部２１の厚さｔＨとの比ｔＣ／ｔＨが、０．５≦ｔＣ／ｔＨ≦１．５を満足することが好ましい。
具体的には、回路層１３（金属片３３）の厚さｔＣは０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定され、ヒートシンク２０の天板部２１の厚さｔＨは０．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、さらに、上述の比ｔＣ／ｔＨを満足することが好ましい。
具体的には、回路層１３（金属片３３）の厚さｔＣは０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定され、ヒートシンク２０の天板部２１の厚さｔＨは０．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、さらに、上述の比ｔＣ／ｔＨを満足することが好ましい。
そして、本実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板１０においては、ヒートシンク２０の天板部２１の最大長さをＬとし、ヒートシンク２０の天板部２１の反り量をＺとし、ヒートシンク２０の天板部２１の接合面側に凸状の変形を正の反り量とし、ヒートシンク２０の曲率をＣ＝｜（８×Ｚ）／Ｌ２｜と定義した場合に、２５℃から３００℃まで加熱した際のヒートシンク２０の最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、絶縁樹脂層１２のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが、Ｐ／Ｃｍａｘ＞６０とされている。
ここで、図２に示すように、ヒートシンク２０の天板部２１の最大長さＬと、ヒートシンク２０の天板部２１の反り量Ｚから、ヒートシンク２０の曲率Ｃ＝｜（８×Ｚ）／Ｌ２｜が算出されることになる。
なお、本実施形態では、ヒートシンク２０の天板部２１は矩形平板状とされており、対角線の長さが最大長さＬとなる。そして、反り量Ｚは、対角線（最大長さ）に沿った断面における高さ方向の最大値と最小値の差となる。
なお、本実施形態では、ヒートシンク２０の天板部２１は矩形平板状とされており、対角線の長さが最大長さＬとなる。そして、反り量Ｚは、対角線（最大長さ）に沿った断面における高さ方向の最大値と最小値の差となる。
また、絶縁樹脂層１２のピール強度は、図３に示すように、ＪＩＳ Ｋ６８５４−１：１９９９に規定された９０°ピール試験に準じて、回路層１３（金属片３３）の端部を上方に引っ張ることによって測定した。
なお、このピール試験において、破断箇所が、ヒートシンク２０の天板部２１と絶縁樹脂層１２との接合界面、絶縁樹脂層１２と回路層１３都の接合界面、絶縁樹脂層１２の内部、のいずれであってもよい。
なお、このピール試験において、破断箇所が、ヒートシンク２０の天板部２１と絶縁樹脂層１２との接合界面、絶縁樹脂層１２と回路層１３都の接合界面、絶縁樹脂層１２の内部、のいずれであってもよい。
３００℃まで加熱した際におけるヒートシンク２０の最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、絶縁樹脂層１２のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが、Ｐ／Ｃｍａｘ＞６０である場合には、反りによる高さ方向の応力よりもピール強度が高くなり、反りによる絶縁樹脂層１２の剥離等が抑制されることになる。
よって、反り量に応じて絶縁樹脂層１２を構成する樹脂の材質を適切化したり、絶縁樹脂層１２を構成する樹脂の材質に応じて回路層１３およびヒートシンク２０の材質や厚さを設計したりして、Ｐ／Ｃｍａｘ＞６０とすることで、反りによる絶縁樹脂層１２の剥離等を抑制することが可能となるのである。
なお、さらに確実に反りによる絶縁樹脂層１２の剥離等を抑制するためには、上述の比Ｐ／Ｃｍａｘを９０より大きくすることが好ましい。
よって、反り量に応じて絶縁樹脂層１２を構成する樹脂の材質を適切化したり、絶縁樹脂層１２を構成する樹脂の材質に応じて回路層１３およびヒートシンク２０の材質や厚さを設計したりして、Ｐ／Ｃｍａｘ＞６０とすることで、反りによる絶縁樹脂層１２の剥離等を抑制することが可能となるのである。
なお、さらに確実に反りによる絶縁樹脂層１２の剥離等を抑制するためには、上述の比Ｐ／Ｃｍａｘを９０より大きくすることが好ましい。
次に、本実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板１０の製造方法について、図４および図５を参照して説明する。
（樹脂組成物配設工程Ｓ０１）
図５に示すように、ヒートシンク２０の天板部２１の一方の面（図５において上面）に、無機材料のフィラーと樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物３２を配設する。本実施形態では、樹脂組成物３２はシート状のものを用いている。
図５に示すように、ヒートシンク２０の天板部２１の一方の面（図５において上面）に、無機材料のフィラーと樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物３２を配設する。本実施形態では、樹脂組成物３２はシート状のものを用いている。
（金属片配置工程Ｓ０２）
次に、樹脂組成物３２の一方の面（図５において上面）に、回路層１３となる複数の金属片３３を回路パターン状に配置する。
次に、樹脂組成物３２の一方の面（図５において上面）に、回路層１３となる複数の金属片３３を回路パターン状に配置する。
（加圧および加熱工程Ｓ０３）
次に、加圧装置によってし、ヒートシンク２０と樹脂組成物３２と金属片３３とを積層方向に加圧するとともに加熱することにより、樹脂組成物３２を硬化させて絶縁樹脂層１２を形成するとともに、ヒートシンク２０の天板部２１と絶縁樹脂層１２、絶縁樹脂層１２と金属片３３とを接合する。
次に、加圧装置によってし、ヒートシンク２０と樹脂組成物３２と金属片３３とを積層方向に加圧するとともに加熱することにより、樹脂組成物３２を硬化させて絶縁樹脂層１２を形成するとともに、ヒートシンク２０の天板部２１と絶縁樹脂層１２、絶縁樹脂層１２と金属片３３とを接合する。
この加圧および加熱工程Ｓ０３においては、加熱温度が１２０℃以上３５０℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が１０分以上１８０分以下の範囲内とされていることが好ましい。また、積層方向の加圧荷重が１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内とされていることが好ましい。
ここで、加熱温度の下限は１５０℃以上とすることがさらに好ましく、１７０℃以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度の上限は３２０℃以下とすることがさらに好ましく、３００℃以下とすることがより好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は３０分以上とすることがさらに好ましく、６０分以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は１２０分以下とすることがさらに好ましく、９０分以下とすることがより好ましい。
積層方向の加圧荷重の下限は３ＭＰａ以上とすることがさらに好ましく、５ＭＰａ以上とすることがより好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は１５ＭＰａ以下とすることがさらに好ましく、１０ＭＰａ以下とすることがより好ましい。
ここで、加熱温度の下限は１５０℃以上とすることがさらに好ましく、１７０℃以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度の上限は３２０℃以下とすることがさらに好ましく、３００℃以下とすることがより好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は３０分以上とすることがさらに好ましく、６０分以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は１２０分以下とすることがさらに好ましく、９０分以下とすることがより好ましい。
積層方向の加圧荷重の下限は３ＭＰａ以上とすることがさらに好ましく、５ＭＰａ以上とすることがより好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は１５ＭＰａ以下とすることがさらに好ましく、１０ＭＰａ以下とすることがより好ましい。
上述した各工程によって、本実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板１０が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク一体型絶縁回路基板１０によれば、２５℃から３００℃まで加熱した際のヒートシンク２０の最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、絶縁樹脂層１２のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが、Ｐ／Ｃｍａｘ＞６０であることから、反りによる応力に対して十分なピール強度が確保されており、温度変化によってヒートシンク２０に反りが生じた場合であっても、回路層１３と絶縁樹脂層１２との剥離、あるいは、絶縁樹脂層１２の内部剥離の発生を抑制することが可能となる。
また、本実施形態において、回路層１３の厚さｔＣとヒートシンク２０の天板部２１の厚さｔＨとの比ｔＣ／ｔＨが、０．５≦ｔＣ／ｔＨ≦１．５を満足する場合には、絶縁樹脂層１２を介して配置される回路層１３の厚さｔＣとヒートシンク２０の天板部２１の厚さｔＨとの比ｔＣ／ｔＨが大きく異なっておらず、反り量を比較的低く抑えることが可能となる。
さらに、本実施形態において、絶縁樹脂層１２は、無機材料のフィラーを含有している場合には、絶縁樹脂層１２の熱伝導性が確保され、放熱特性に優れており、回路層１３の上に搭載された半導体素子３からの熱をヒートシンク２０側で効率良く放熱することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本実施形態においては、図４および図５に示すヒートシンク一体型絶縁回路基板の製造方法によってヒートシンク一体型絶縁回路基板を製造するものとして説明したが、これに限定されることはない。
本実施形態においては、図４および図５に示すヒートシンク一体型絶縁回路基板の製造方法によってヒートシンク一体型絶縁回路基板を製造するものとして説明したが、これに限定されることはない。
また、本実施形態においては、ヒートシンクを無酸素銅（ＯＦＣ）で構成し、回路層をアルミニウム合金（Ａ６０５３）で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等の他の金属で構成されたものであってもよい。さらに、複数の金属が積層された構造のものであってもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンク一体型絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、ヒートシンク一体型絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、ヒートシンク一体型絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
表１に示す構造のヒートシンクの天板部（１００ｍｍ×８０ｍｍ、厚さは表１に記載）に、表１に示す樹脂組成物のシート材を配置し、この樹脂組成物のシート材上に、表１に示す回路層を形成する金属片を配置し、積層したヒートシンクと樹脂組成物のシート材と金属片とを、積層方向に加圧しながら加熱し、樹脂組成物を硬化させて絶縁樹脂層を形成するとともに、ヒートシンクの天板部と絶縁樹脂層、および、絶縁樹脂層と金属片を接合し、ヒートシンク一体型絶縁回路基板を得た。なお、シート材がポリイミドの場合、積層方向の加圧圧力は５ＭＰａ、加熱温度は３００℃、加熱温度での保持時間は６０分とした。シート材がエポキシあるいはシリコンの場合は積層方向の加圧圧力は１０ＭＰａ、加熱温度は２００℃、加熱温度での保持時間は６０分とした。
以上のようにして、得られたヒートシンク一体型絶縁回路基板について、以下の項目についてそれぞれ評価した。
以上のようにして、得られたヒートシンク一体型絶縁回路基板について、以下の項目についてそれぞれ評価した。
（最大曲率Ｃｍａｘ）
３００℃に加熱した際の反り量Ｚを、モアレ式三次元形状測定器を使用して測定した。そして、発明を実施するための形態の欄に記載したように、ヒートシンクの天板部２１の最大長さＬと、反り量Ｚと、から、２５℃から３００℃まで加熱した際のヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）を算出した。
３００℃に加熱した際の反り量Ｚを、モアレ式三次元形状測定器を使用して測定した。そして、発明を実施するための形態の欄に記載したように、ヒートシンクの天板部２１の最大長さＬと、反り量Ｚと、から、２５℃から３００℃まで加熱した際のヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）を算出した。
（ピール強度Ｐ）
発明を実施するための形態の欄に記載したように、ＪＩＳ Ｋ６８５４−１：１９９９に規定された９０°ピール試験に準じて、回路層（金属片）の端部を上方に引っ張ることによって測定した。
発明を実施するための形態の欄に記載したように、ＪＩＳ Ｋ６８５４−１：１９９９に規定された９０°ピール試験に準じて、回路層（金属片）の端部を上方に引っ張ることによって測定した。
（加熱処理後の破断）
得られたヒートシンク一体型絶縁回路基板に対して、３００℃×５分の加熱処理を実施し、絶縁樹脂層の破断の有無を確認した。
得られたヒートシンク一体型絶縁回路基板に対して、３００℃×５分の加熱処理を実施し、絶縁樹脂層の破断の有無を確認した。
２５℃から３００℃まで加熱した際のヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、絶縁樹脂層のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが６０以下である比較例１−５においては、加熱試験後に破断が認められた。
これに対して、２５℃から３００℃まで加熱した際のヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、絶縁樹脂層のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが６０を超える本発明例１−１８においては、加熱試験後に破断が認められなかった。また、樹脂の材質を変更した場合であっても、最大曲率（反り量）を適切化してＰ／Ｃｍａｘを６０超えとすることで、加熱試験後の破断の発生を抑制することができた。
これに対して、２５℃から３００℃まで加熱した際のヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、絶縁樹脂層のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが６０を超える本発明例１−１８においては、加熱試験後に破断が認められなかった。また、樹脂の材質を変更した場合であっても、最大曲率（反り量）を適切化してＰ／Ｃｍａｘを６０超えとすることで、加熱試験後の破断の発生を抑制することができた。
以上のことから、本発明例によれば、温度変化によって反りが生じた場合であっても、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制でき、信頼性に優れたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。
１０ ヒートシンク一体型絶縁回路基板
１２ 絶縁樹脂層
１３ 回路層
２０ ヒートシンク
２１ 天板部
２２ 放熱フィン
１２ 絶縁樹脂層
１３ 回路層
２０ ヒートシンク
２１ 天板部
２２ 放熱フィン
Claims (4)
- 天板部と放熱フィンとを備えたヒートシンクと、前記ヒートシンクの前記天板部に形成された絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の前記ヒートシンクとは逆側の面に回路パターン状に配設された金属片からなる回路層と、を備え、
前記ヒートシンクの前記天板部の最大長さをＬとし、前記ヒートシンクの前記天板部の反り量をＺとし、前記ヒートシンクの前記天板部の前記絶縁樹脂層との接合面側に凸状の変形を正の反り量とし、前記ヒートシンクの曲率をＣ＝｜（８×Ｚ）／Ｌ２｜と定義した場合に、
２５℃から３００℃まで加熱した際の前記ヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、前記絶縁樹脂層のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが、Ｐ／Ｃｍａｘ＞６０であることを特徴とするヒートシンク一体型絶縁回路基板。 - 前記回路層の厚さｔＣと前記ヒートシンクの前記天板部の厚さｔＨとの比ｔＣ／ｔＨが、
０．５≦ｔＣ／ｔＨ≦１．５
を満足することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク一体型絶縁回路基板。 - ２５℃から３００℃まで加熱した際の前記ヒートシンクの最大曲率Ｃｍａｘ（１／ｍ）と、前記絶縁樹脂層のピール強度Ｐ（Ｎ／ｃｍ）との比Ｐ／Ｃｍａｘが、Ｐ／Ｃｍａｘ＞９０であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク一体型絶縁回路基板。
- 前記絶縁樹脂層は、無機材料のフィラーを含有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク一体型絶縁回路基板。
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