JP2022094661A - 絶縁回路基板、および、絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱特性に優れ、精細な回路パターンが形成可能な回路層を備えた絶縁回路基板を提供する。【解決手段】金属基板と、この金属基板の一方の面に備えられた絶縁層と、この絶縁層の前記金属基板とは反対側の面に備えられた回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層は回路パターンを有し、前記回路パターンは２枚以上の銅板が積層された銅板積層体を含み、前記銅板積層体は、前記絶縁層とは反対側の面に位置する銅板の厚みが０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内にある。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁回路基板、および、絶縁回路基板の製造方法に関する。

パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及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素子及び熱電素子などの素子が接合された構造とされている。
絶縁回路基板では、素子で発生した熱の放熱特性を向上させるために回路層の厚くすることが検討されている。

特許文献１には、回路層が金属材料からなり、厚みが０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内とされている絶縁回路基板が記載されている。特許文献１には、回路層の形成方法として、絶縁層の一方の面に、複数の金属片を回路パターン状に配置する方法が記載されている。特許文献１には、回路層を構成する金属片の製造方法として、打ち抜き加工が記載されている。

特開２０１９－１６９５４０号公報

近年のパワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子などの素子の高集積化や高出力化に伴って、絶縁回路基板においては、放熱特性の向上が望まれている。さらに、素子の高集積化に伴って、回路パターンの精細化も求められている。絶縁回路基板の放熱特性を向上させるために、回路層、特に熱源である素子が搭載される素子搭載領域の回路層の厚みを厚くすることは有効である。しかしながら、特許文献１に記載されている打ち抜き加工では、回路層の厚みが厚くなるに伴って精細な回路パターンを形成することが難しくなる傾向がある。このため、放熱特性の向上と回路パターンの精細化の両者を満足させることは困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、放熱特性に優れ、精細な回路パターンが形成可能な回路層を備えた絶縁回路基板、および、この絶縁回路基板の製造方法を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る絶縁回路基板は、金属基板と、前記金属基板の一方の面に備えられた絶縁層と、前記絶縁層の前記金属基板とは反対側の面に備えられた回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層は回路パターンを有し、前記回路パターンは２枚以上の銅板が積層された銅板積層体を含み、前記銅板積層体は、前記絶縁層とは反対側の面に位置する銅板の厚みが０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内にあることを特徴としている。

この構成の絶縁回路基板によれば、回路層は２枚以上の銅板が積層された銅板積層体を含む回路パターンを有するので、銅板の枚数を増やすことによって、回路層の厚みを厚くすることができる。回路層の厚みが厚くなることによって、回路層に伝わった熱が絶縁回路基板の積層方向と共に面方向にも拡がり、熱が回路層全体に拡がりやすくなるため、回路層の熱抵抗が低くなる。また、銅板積層体は、絶縁層とは反対側の面に位置する銅板、すなわち素子が搭載される銅板の厚さが０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内と厚くなっている。これにより、回路層に伝わった熱が回路層全体により早く拡がるため、回路層の熱抵抗がより低くなる。よって、この構成の絶縁回路基板は、放熱特性が優れたものとなる。さらに、１枚ごとの銅板は、厚みを厚くしなくともよいので、精細な回路パターンを形成することができる。なお、素子が搭載される銅板の厚さが３．０ｍｍを超えると打ち抜きによる形成が困難になり、０．５ｍｍ未満であると伝熱速度がやや劣るため、絶縁回路基板としての熱抵抗が大きくなる。

ここで、本発明の一態様に係る絶縁回路基板においては、前記銅板積層体は、前記絶縁層に接する銅板の厚みが０．０１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
この場合、絶縁層に接する銅板の厚みが０．０１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内と薄いので、精細な回路パターンを形成することが可能となる。

また、本発明の一態様に係る絶縁回路基板においては、前記２枚以上の銅板が互いに接合材を介して接合されていて、前記接合材は、熱伝導度が８０Ｗ／ｍＫ以上で、接合温度が２００℃以上４００℃以下の範囲内にある金属である構成とされていてもよい。
この場合、２枚以上の銅板が、熱伝導度が８０Ｗ／ｍＫ以上で、接合温度が２００℃以上４００℃以下の範囲内にある金属で接合されているので、銅板間の熱伝導性が高くなり、回路層の熱抵抗をさらに低下させることができる。

また、本発明の一態様に係る絶縁回路基板においては、前記２枚以上の銅板が互いに接合材を介して接合されていて、前記接合材は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムである構成とされていてもよい。
この場合、２枚以上の銅板が、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムである接合材で接合されているので、銅板間の熱伝導性が高くなり、回路層の熱抵抗をさらに低下させることができる。

また、本発明の一態様に係る絶縁回路基板において、前記回路パターンは、素子が搭載される素子搭載領域を含み、前記素子搭載領域は前記銅板積層体とされていることが好ましい。
この場合、回路パターンの素子が搭載される素子搭載領域が銅板積層体とされているので、素子搭載領域の厚みを厚くすることができ、回路層の熱抵抗をさらに低下させることができる。よって、この構成の絶縁回路基板は、放熱特性がさらに優れたものとなる。また、素子が搭載されていない領域は、銅板積層体とせずに、厚みの薄い銅板を用いることができるので、さらに精細な回路パターンを形成することが可能となる。

さらに、本発明の一態様に係る絶縁回路基板において、前記銅板積層体は、前記絶縁層とは反対側の面に位置する銅板が最も厚いことが好ましい。
この場合、銅板積層体の絶縁層とは反対側の面に位置する銅板、すなわち素子に接する銅板は、厚さが最も厚く、熱が伝わりやすいので、銅板積層体に伝わった熱が絶縁層に伝わりやすくなる。よって、この構成の絶縁回路基板は、放熱特性がさらに優れたものとなる。

本発明の一態様の絶縁回路基板の製造方法は、金属基板と、前記金属基板の一方の面に備えられた絶縁層と、を備えた絶縁層付き金属基板の前記絶縁層の上に、回路パターン状に形成された銅板を接合する工程と、前記銅板の前記絶縁層とは反対側の面に、別に用意した銅板を接合して銅板積層体を形成する工程と、を含む。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、絶縁層付き金属基板の絶縁層の上に、回路パターン状に形成された銅板を接合し、その銅板の上に別の銅板を順次接合して銅板積層体を形成するので、１枚ごとの銅板の厚みを厚くしなくとも厚みの厚い銅板積層体（回路層）を有する絶縁回路基板を工業的に安定して製造することができる。銅板は、厚みを厚くしなくともよいので、精細な回路パターンを形成することができる。よって、本実施形態の絶縁回路基板の製造方法を用いて製造された絶縁回路基板は、回路層は、厚みが厚く、かつ精細な回路パターンを有し、放熱特性に優れたものとなる。

本発明の別の一態様の絶縁回路基板の製造方法は、少なくとも１枚が回路パターン状に形成された銅板を２枚以上積層方向に接合して、銅板積層体を作製する工程と、前記銅板積層体を、金属基板と、この金属基板の一方の面に備えられた絶縁層と、を備えた絶縁層付き金属基板の前記絶縁層の上に接合する工程と、を含む。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、回路パターン状に形成された銅板を２枚以上接合して銅板積層体を作製し、次いで銅板積層体を絶縁層付き金属基板の絶縁層の上に接合するので、１枚ごとの銅板の厚みを厚くしなくとも厚みの厚い銅板積層体（回路層）を有する絶縁回路基板を工業的に安定して製造することができる。

本発明によれば、放熱特性に優れ、精細な回路パターンが形成可能な回路層を備えた絶縁回路基板、および、この絶縁回路基板の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの平面図である。 図１のII－II線断面図である。 本発明の他の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの平面図である。 図３のIV－IV線断面図である。 本発明のさらに他の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの断面図である。 本発明のさらに他の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの断面図である。 本発明のさらに他の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。 本発明の他の一実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。 本発明例１～４、１１で作製した絶縁回路基板の断面図である。 本発明例５～１０で作製した絶縁回路基板の断面図である。

以下に、本発明の一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は、本発明の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの平面図であり、図２は、図１のII－II線断面図である。

図１及び図２において、パワーモジュール１ａは、絶縁回路基板１０ａと、はんだ層２を介して絶縁回路基板１０ａに搭載された素子３と、を備える。絶縁回路基板１０ａは、金属基板２０と、金属基板２０の一方の面に備えられた絶縁層３０と、絶縁層３０の金属基板２０とは反対側の面に備えられた回路層４０と、を備える。

金属基板２０は、絶縁回路基板１０ａのベースとなる部材である。金属基板２０は、例えば、銅基板もしくはアルミニウム基板である。銅基板は、銅及び銅合金を含む。アルミニウム基板は、アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。

絶縁層３０は、金属基板２０と回路層４０とを絶縁するための層である。絶縁層３０は、例えば、絶縁樹脂、または絶縁樹脂と無機物フィラーとを含む絶縁性樹脂組成物から形成されている。絶縁層３０を、絶縁樹脂と熱伝導度が高い無機物フィラーとを含む絶縁性樹脂組成物から形成することによって、絶縁性を維持しつつ、絶縁層３０の熱伝導性を向上させることができる。

絶縁樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂を用いることができる。これらの樹脂は、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。絶縁樹脂は、耐熱性が高い樹脂であることが好ましい。絶縁樹脂は、熱分解温度が４００℃以上であってもよい。絶縁樹脂は、ポリイミド樹脂を含んでいてもよい。

無機物フィラーとしては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子、アルミナ水和物粒子、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子、シリカ（ＳｉＯ_２）粒子、炭化珪素（ＳｉＣ）粒子、酸化チタン（ＴｉＯ_２）粒子、窒化硼素（ＢＮ）粒子を用いることができる。これらの無機物フィラーは、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子としてはα－アルミナ単結晶粒子を用いてもよい。無機物フィラーは、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあってもよい。
絶縁層３０の無機物フィラーの含有量は、例えば、５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にあってもよく、５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあってもよい。

回路層４０は、回路パターンを有する。回路層４０の一部が回路パターンとされていてもよいし、回路層４０全体が回路パターンとされていてもよい。本実施形態では、回路層４０全体が回路パターンとされている。

回路層４０（回路パターン）は、絶縁層３０の金属基板２０とは反対側の面に備えられた第１銅板４１と、第１銅板４１の絶縁層３０とは反対側の面に備えられた第２銅板４２とが積層された銅板積層体４５からなる。第１銅板４１及び第２銅板４２はそれぞれ、素子搭載領域４１ａ、４２ａと、配線領域４１ｂ、４２ｂと、を有する。素子３は、はんだ層２を介して第２銅板４２の素子搭載領域４２ａの上に接続されている。素子３は、リード線４を介して、第２銅板４２の配線領域４２ｂと電気的に接続されている。
第２銅板４２の厚さは、０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内にある。第１銅板４１の厚さは、例えば、０．０１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内、好ましくは０．０１ｍｍ以上１．５ｍｍの範囲内にあり、第２銅板４２よりも薄くてもよい。

第２銅板４２の素子搭載領域４２ａは、素子３にて発生した熱が直接伝わる。このため、素子搭載領域４２ａの表面サイズは、素子３の素子搭載領域４２ａに搭載される側の搭載面のサイズと同じ又はそれよりも広くして、素子搭載領域４２ａの熱抵抗を低くしてもよい。また、第１銅板４１の素子搭載領域４１ａの表面サイズは、第２銅板４２の素子搭載領域４２ａのサイズと同じ又はそれよりも広くして、素子搭載領域４１ａの熱抵抗を低くしてもよい。本実施形態では、第２銅板４２の素子搭載領域４２ａと第１銅板４１の素子搭載領域４１ａは同じサイズであり、素子３の搭載面のサイズよりも広い構成とされている。また、素子搭載領域４１ａ、４２ａの厚み（第１銅板４１の素子搭載領域４１ａと第２銅板４２の素子搭載領域４２ａの合計の厚み）は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内にあってもよい。素子搭載領域４１ａ、４２ａの厚みが上記の範囲とされていることによって、素子搭載領域４１ａ、４２ａに伝わった熱が絶縁回路基板１０ａの積層方向と共に面方向にも拡がり、素子搭載領域４１ａ、４２ａに伝わった熱が素子搭載領域４１ａ、４２ａの全体に拡がりやすくなる。このため、回路層４０の熱抵抗が低くなる。素子搭載領域４１ａ、４２ａの表面サイズは、素子３の搭載面のサイズを１００として、２００以上５０００以下の範囲内にあることが好ましく、３００以上４０００以下の範囲内にあることがより好ましく、５００以上３０００以下の範囲内にあることが特に好ましい。また、素子搭載領域４１ａ、４２ａの合計厚みは１ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲内にあることがより好ましく、２ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内にあることが特に好ましい。

第１銅板４１と第２銅板４２とは、接合材５０を介して接合されている。接合材５０は、熱伝導度が８０Ｗ／ｍＫ以上で、接合温度（焼結温度）が２００℃以上４００℃以下の範囲内にある金属（焼結接合材）であることが好ましい。接合温度が上記の範囲内にあると、絶縁層３０の絶縁樹脂として使用可能な樹脂の種類が多くなる。焼結接合材の例としては、熱伝導性に優れる銀あるいは銅を母材とした金属粒子が挙げられる。この焼結接合材は、金属粒子を微細化することにより、金属粒子表面の反応性を向上させたものであり、被接合材料（銅板）を融解させることのない比較的低い接合温度で、焼結接合材に含まれる金属の物性に由来する熱的及び電気的な特性を発現できる。また、接合材５０は純度９９．９９質量％以上のアルミニウム箔であってもよい。この場合、焼結接合材に比べて接合温度が高くなるため、絶縁層３０の絶縁樹脂として使用可能な樹脂の種類は限定されるが、さらに高い放熱性を示す。

素子３としては、半導体素子、ＬＥＤ素子、熱電素子抵抗、キャパシタ、水晶発振器などを用いることができる。半導体素子の例としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-oxide-semiconductor field effect transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）を挙げることができる。ＬＥＤ素子（発光ダイオード）の例としては、ＬＥＤチップ、ＬＥＤ－ＣＳＰ（LED-Chip Size Package）を挙げることができる。

はんだ層２の材料としては、例えば、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、もしくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系などのはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）を用いることできる。

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１０ａによれば、回路層４０は第１銅板４１と第２銅板４２が積層された銅板積層体４５を含む回路パターンを有するので、回路層４０の厚みを厚くすることができる。回路層４０の厚みが厚くなることによって、回路層４０に伝わった熱が絶縁回路基板１０ａの積層方向と共に面方向にも拡がり、回路層４０に伝わった熱が回路層４０の全体に拡がりやすくなるため、回路層の熱抵抗を低くすることができる。また、銅板積層体４５は、絶縁層３０とは反対側の面に位置する第２銅板４２、すなわち素子３がはんだ層２を介して接続される第２銅板４２の厚みが０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内と厚くなっている。これにより、回路層４０に伝わった熱が回路層４０全体により早く拡がるため、回路層４０の熱抵抗をより低くすることができる。よって、本実施形態の絶縁回路基板１０ａは、放熱特性が優れたものとなる。さらに、第１銅板４１と第２銅板４２は、厚みを過度に厚くしなくともよいので、精細な回路パターンを形成することができる。

また、本実施形態の絶縁回路基板において、銅板積層体４５の第１銅板４１の厚みが０．０１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内と薄い場合には、より精細な回路パターンを形成することが可能となる。

また、本実施形態の絶縁回路基板１０ａにおいて、第１銅板４１と第２銅板４２とを接合している接合材５０が、熱伝導度が８０Ｗ／ｍＫ以上で、接合温度が２００℃以上４００℃以下の範囲内にある金属である場合、あるいは純度９９．９９質量％以上のアルミニウムである場合は、第１銅板４１と第２銅板４２との間の熱伝導性が高くなり、回路層４０の熱抵抗をさらに低くすることができる。

また、本実施形態の絶縁回路基板１０ａにおいて、回路層４０の素子３が搭載される素子搭載領域が銅板積層体４５とされている場合は、素子搭載領域４２ａの厚みを厚くすることができるので、回路層４０の熱抵抗をさらに低くすることができるので、絶縁回路基板の放熱特性がさらに優れたものとなる。

さらに、本実施形態の絶縁回路基板において、銅板積層体４５の絶縁層３０とは反対側の面に位置する第２銅板４２の厚さが最も厚い場合は、素子３に接する銅板に熱が伝わりやすいので、銅板積層体４５に伝わった熱が絶縁層３０に伝わりやすくなる。よって、この構成の絶縁回路基板１０ａは、放熱特性がさらに優れたものとなる。また、素子が搭載されていない領域は、銅板積層体とせずに、厚みの薄い銅板を用いることができるので、さらに精細な回路パターンを形成することが可能となる。

以上、本発明の実施形態に係る絶縁回路基板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。
例えば、本実施形態では、回路層４０の第１銅板４１及び第２銅板４２はそれぞれ、素子搭載領域４１ａ、４２ａと、配線領域４１ｂ、４２ｂと、を有する構成とされているが、これに限定されるものではない。例えば、第２銅板４２は素子搭載領域４２ａのみを有する構成、すなわち、素子搭載領域を第１銅板４１と第２銅板を含む銅板積層体４５で形成し、配線領域を第１銅板４１のみで形成する構成とされていてもよい。

また、本実施形態では、回路層４０の素子搭載領域４１ａ、４２ａの表面サイズが同一とされているが、これに限定されるものでない。例えば、絶縁層３０と接する銅板（第１銅板４１）の素子搭載領域４１ａの表面サイズを、絶縁層３０とは反対側の面に位置する銅板（第２銅板４２）の素子搭載領域４２ａの表面サイズより広い構成とされていてもよい。

さらに、本実施形態では、回路層４０の銅板積層体４５は、第１銅板４１と第２銅板４２の２枚の銅板が積層された構成とされているが、銅板の枚数は２枚以上であれば、その枚数に制限はない。例えば、銅板の枚数は３枚以上であってもよい。なお、銅板の枚数は６枚以下であってもよい。なお、銅板の枚数は３枚以上の場合でも、素子と接合する銅板の厚みが０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内となる。
以下に、本発明の他の実施形態である絶縁回路基板について、図３～図７を用いて説明する。なお、以下の説明において、図１及び図２に示すパワーモジュール１ａと同一の構成については同一の符号を付して、詳細な説明は省略することがある。

図３は、本発明の他の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの平面図であり、図４は、図３のIV－IV線断面図である。
図３及び図４に示すパワーモジュール１ｂは、絶縁回路基板１０ｂの第２銅板４２が素子搭載領域４２ａのみを有する点、すなわち、素子搭載領域が第１銅板４１と第２銅板を含む銅板積層体４５で形成され、配線領域が第１銅板４１のみで形成されている点において、図１及び図２に示すパワーモジュール１ａと相違する。このため、第１銅板４１の厚みを薄くすることによって、十分な放熱特性を有すると共に、配線領域４１ｂの精細化、細線化が可能となる。

また、パワーモジュール１ｂは、絶縁回路基板１０ｂの第１銅板４１の素子搭載領域４１ａの表面サイズが、第２銅板４２の素子搭載領域４２ａより広い構成とされている点において、パワーモジュール１ａと相違する。素子搭載領域４１ａの表面サイズが、素子搭載領域４２ａより広い構成とされているので、素子３から素子搭載領域４２ａに伝わった熱が素子搭載領域４１ａに伝わりやすくなる。
したがって、絶縁回路基板１０ｂは、絶縁回路基板１０ａの有する効果と共に、配線領域４１ｂのさらなる精細化や細線化が可能となり、放熱特性がさらに向上するという効果を有する。

図５は、本発明のさらに他の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの断面図である。
図５に示すパワーモジュール１ｃは、絶縁回路基板１０ｃの素子搭載領域が第１銅板４１と第２銅板を含む銅板積層体４５で形成され、配線領域が第１銅板４１のみで形成されている点で図１及び図２に示すパワーモジュール１ａと相違する。
したがって、絶縁回路基板１０ｃは、絶縁回路基板１０ａの有する効果と共に、配線領域４１ｂのさらなる精細化や細線化が可能となるという効果を有する。

図６は、本発明のさらに他の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの断面図である。
図６に示すパワーモジュール１ｄは、絶縁回路基板１０ｄの素子搭載領域が、第１銅板４１と、第２銅板４２と、第３銅板４３とを含む銅板積層体４５とされている点において、図１及び図２に示すパワーモジュール１ａと相違する。第１銅板４１と第２銅板４２、及び第２銅板４２と第３銅板４３は互いに、接合材５０を介して接合されている。第２銅板４２及び第３銅板４３は、厚みが０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内とされている。絶縁回路基板１０ｄは、素子搭載領域を構成する銅板積層体４５が３枚の銅板から形成されているので、銅板積層体４５を構成する各銅板の厚みを薄くすることができる。このため、十分な放熱特性を有すると共に、素子搭載領域４１ａ、４２ａ、４３ａの精細化、細線化が可能となる。なお、素子搭載領域を構成する銅板積層体４５は必要とされる伝熱量に応じて４枚以上であってもかまわないが、放熱特性と精細化とのバランスを考慮すると１０枚以内が望ましい。

また、パワーモジュール１ｄは、絶縁回路基板１０ｄの配線領域が第１銅板４１のみで形成されている点において、図１及び図２に示すパワーモジュール１ａと相違する。このため、第１銅板４１の厚みを薄くすることによって、配線領域４１ｂの精細化、細線化が可能となる。
したがって、絶縁回路基板１０ｄは、絶縁回路基板１０ａの有する効果と共に、素子搭載領域４１ａ、４２ａ、４３ａと配線領域４１ｂのさらなる精細化、細線化が可能となり、放熱特性がさらに向上するという効果を有する。

図７は、本発明のさらに他の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの断面図である。
図７に示すパワーモジュール１ｅは、絶縁回路基板１０ｅの第１銅板４１の素子搭載領域４１ａと第２銅板４２の素子搭載領域４２ａの表面サイズが、第３銅板４３の素子搭載領域４３ａより広い構成とされている点において、図６に示すパワーモジュール１ｄと相違する。素子搭載領域４１ａの表面サイズが、素子搭載領域４２ａより広い構成とされているので、素子３から素子搭載領域４３ａに伝わった熱が素子搭載領域４２ａに伝わりやすくなる。
したがって、絶縁回路基板１０ｅは、絶縁回路基板１０ｄの有する効果と共に、放熱特性がさらに向上するという効果を有する。

次に、本実施形態である絶縁回路基板の製造方法について、図８及び図９を用いて説明する。

図８は、本発明の一実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。
本実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法は、第１銅板接合工程と、第２銅板接合工程と、を含む。

第１銅板接合工程は、図８（ａ）に示すように、絶縁層付き金属基板６０の絶縁層３０の上に第１銅板４１を接合する工程である。絶縁層付き金属基板６０は、金属基板２０と、金属基板２０の一方の面に備えられた絶縁層３０と、を備える。第１銅板４１は、素子搭載領域４１ａと配線領域４１ｂとを有する回路パターン状に形成されている。

絶縁層付き金属基板６０の製造方法は、特に制限はない。絶縁層付き金属基板６０の製造方法として、例えば、金属基板２０の一方の面に樹脂シートを積層する方法を用いることができる。樹脂シートは、無機物フィラーを含有していてもよい。また、絶縁層付き金属基板６０の製造方法として、金属基板２０の一方の面に樹脂を含む塗布液を塗布し、得られた塗布膜を乾燥し、加熱して焼き付ける方法を用いることができる。塗布液は、無機物フィラーを含有していてもよい。さらに、絶縁層付き金属基板６０の製造方法として、金属基板２０の一方の面に、帯電した樹脂粒子を含む電着液を用いて、樹脂粒子を電着させ、得られた電着膜を乾燥し、加熱して焼き付ける方法を用いることができる。電着液は、無機物フィラーを含有していてもよい。

回路パターン状に形成された第１銅板４１の製造方法は、特に制限はない。例えば、エッチング法や抜き打ちなど銅板の加工方法として利用されている各種の方法を用いることができる。

絶縁層付き金属基板６０の絶縁層３０と第１銅板４１とを接合する方法としては、例えば、圧着法を用いることができる。絶縁層付き金属基板６０の絶縁層３０の上に第１銅板４１を積載し、圧着装置を用いて、加圧しながら加熱することによって、絶縁層付き金属基板６０の絶縁層３０と第１銅板４１とを接合することができる。圧着法による絶縁層３０と第１銅板４１との接合に際は、第１銅板４１の酸化を抑制するために、減圧雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で行なってもよい。

第２銅板接合工程は、図８（ｂ）に示すように、第１銅板４１の絶縁層３０とは反対側の面に、別に用意した第２銅板４２を接合する工程である。第２銅板４２は、素子搭載領域４２ａと配線領域４２ｂとを有する回路パターン状に形成されている。

回路パターン状に形成された第２銅板４２の製造方法は、第１銅板４１の場合と同様に、例えば、エッチング法や抜き打ちなど銅板の加工方法として利用されている各種の方法を用いることができる。

第１銅板４１と第２銅板４２とは、接合材５０を用いて接合することができる。接合材５０の材料としては、例えば、銀、銅、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムを用いることができる。接合材５０は、これらの金属の薄膜であってもよいし、粒子でもよい。第１銅板４１と第２銅板４２とは、第１銅板４１の上に接合材５０を配置し、接合材５０の上に第２銅板４２を積載し、圧着装置を用いて、加圧しながら加熱することによって、第１銅板４１と第２銅板４２とを接合することができる。接合材５０として、金属の粒子を用いる場合は、金属粒子の分散液を調製し、第１銅板４１の上に金属粒子分散液を塗布し、得られた塗布膜を乾燥することによって、第１銅板４１の上に金属粒子層を形成してもよい。圧着法による第１銅板４１と第２銅板４２との接合に際は、第１銅板４１及び第２銅板４２の酸化を抑制するために、減圧雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で行なってもよい。

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板の製造方法によれば、絶縁層付き金属基板６０の絶縁層３０の上に、回路パターン状に形成された第１銅板４１を接合し、次いで回路パターン状に形成された第２銅板４２を順次接合することによって銅板積層体４５を形成するので、第１銅板４１と第２銅板４２の厚みは過度に厚くしなくとも、厚みの厚い回路層４０を有する絶縁回路基板を工業的に安定して製造することができる。第１銅板４１と第２銅板４２は、厚みを厚くしなくともよいので、精細な回路パターンを形成することができる。よって、本実施形態の絶縁回路基板の製造方法を用いて製造された絶縁回路基板は、回路層４０は、厚みが厚く、かつ精細な回路パターンを有し、放熱特性に優れたものとなる。

図９は、本発明の他の一実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。
本実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法は、銅板積層体作製工程と、銅板積層体接合工程と、を含む。

銅板積層体作製工程は、図９（ａ）に示すように、第１銅板４１と第２銅板４２とを接合して、銅板積層体４５を作製する工程である。第１銅板４１及び第２銅板４２は、それぞれ素子搭載領域４１ａ、４２ａと配線領域４１ｂ、４２ｂとを有する回路パターン状に形成されている。

第１銅板４１と第２銅板４２とは、接合材５０を用いて接合することができる。接合材５０を用いた第１銅板４１と第２銅板４２の接合方法は、上述の第２銅板接合工程の場合と同じである。

銅板積層体接合工程は、図９（ｂ）に示すように、銅板積層体４５の第１銅板４１を、絶縁層付き金属基板６０の絶縁層３０の上に接合する工程である。
銅板積層体４５の第１銅板４１と、絶縁層付き金属基板６０の絶縁層３０とを接合する方法としては、圧着法を用いることができる。圧着法を用いた第１銅板４１と絶縁層３０との接合方法は、上述の第１銅板接合工程の場合と同様である。

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板の製造方法によれば、回路パターン状に形成された第１銅板４１と回路パターン状に形成された第２銅板４２とを接合して、銅板積層体４５を形成し、次いで銅板積層体４５を絶縁層付き金属基板６０の絶縁層３０の上に接合するので、第１銅板４１と第２銅板４２の厚みは過度に厚くしなくとも、厚みの厚い銅板積層体４５（回路層４０）を有する絶縁回路基板を工業的に安定して製造することができる。

以上、本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法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。
例えば、本実施形態では、第１銅板４１と第２銅板４２の２枚の銅板を用いて銅板積層体４５を形成しているが、銅板の枚数は２枚以上であれば、その枚数に制限はない。例えば、銅板の枚数は３枚以上であってもよい。

［本発明例１］
（１）絶縁層付き銅基板の作製工程
銅基板（縦：１００ｍｍ、横：１００ｍｍ、厚み：１．０ｍｍ）の一方の表面に、アルミナと窒化アルミニウムとをフィラーとするフィラー入りエポキシ樹脂シート（絶縁層Ａ、縦：１００ｍｍ、横：１００ｍｍ、厚み：１２０μｍ、熱伝導度：１０Ｗ／ｍＫ）を積載して、絶縁層付き銅基板を作製した。なお、熱伝導度は熱圧着後の物性であり、測定はレーザーフラッシュ法にて行った。

（２）第１銅板の接合工程
（第１銅板の作製）
銅板（縦：１００ｍｍ、横：１００ｍｍ、厚み：１．０ｍｍ）を、打ち抜き処理して、素子搭載領域と配線領域とを有する第１銅板を作製した。素子搭載領域のサイズは、３０ｍｍ×３０ｍｍとした。

（第１銅板の接合）
上記（１）で作製した絶縁層付き銅基板の絶縁層の上に、上記の第１銅板を積載し、圧着装置に配置した。次いで、圧着装置を真空引きして減圧雰囲気とした後、１０ＭＰａの圧力で加圧しながら１８０℃の温度で６０分間加熱して、絶縁層に第１銅板を接合した。

（３）第２銅板の接合工程
（銅粒子ペーストの調製）
室温のイオン交換水を撹拌しながら、そのイオン交換水に、クエン酸銅・２．５水和物（富士フイルム和光純薬株式会社製）を投入して、濃度３０質量％のクエン酸銅水性分散液を調製した。得られたクエン酸銅水性分散液は、クエン酸アンモニウム水溶液を加えて、ｐＨを３以上７未満に調整した。次いで、ｐＨ調整したクエン酸銅水性分散液を５０℃に保持しつつ、窒素ガス雰囲気下、撹拌しながら、そのクエン酸銅水性分散液に、ヒドラジン一水和物水溶液を添加して、混合液を得た。ヒドラジン一水和物水溶液は、ヒドラジン一水和物を水で２倍希釈したものを用いた。また、ヒドラジン一水和物水溶液の添加量は、クエン酸銅水性分散液中の銅を銅イオンとして溶出させるのに必要な量の１．２倍当量分とした。次に、得られた混合液を窒素ガス雰囲気下で７０℃まで昇温し、７０℃（最高温度）で２時間保持した後、２０℃まで冷却して、銅粒子スラリーを得た。得られた銅粒子スラリーを遠心分離機に投入し、１０００ｒｐｍの回転速度で１０分間処理して、銅粒子を回収した。回収した銅粒子を減圧乾燥法により１０時間乾燥して、接合材用銅粒子を得た。得られた接合材用銅粒子８.５ｇと、エチレングリコール（関東化学株式会社製）１．４ｇと、グリセリン（関東化学株式会社製）０．１ｇとを混合して銅粒子ペーストを調製した。

（第２銅板の作製）
銅板（縦：１００ｍｍ、横：１００ｍｍ、厚み：１ｍｍ）を、打ち抜き処理して、素子搭載領域と配線領域とを有する第２銅板を作製した。素子搭載領域のサイズは、第１銅板と同様に３０ｍｍ×３０ｍｍとした。

（第２銅板の接合）
上記（２）で接合した第１銅板の上に、上記の銅粒子ペーストを厚さ５０μｍとなるように塗布した。次いで、塗布した銅粒子ペーストの上に、上記の第２銅板を積載した。次いで、窒素雰囲気下、１０ＭＰａの圧力で加圧しながら３００℃の温度で５分間加熱し、銅粒子を焼結させて、第１銅板と第２銅板とを接合した。
以上のようにして、本発明例１の絶縁回路基板を作製した。

［本発明例２］
本発明例１の（３）第２銅板の接合工程において、銅粒子ペーストの代わりに、下記の方法により調製した銀粒子ペーストを用いたこと以外は、本発明例１と同様にして、本発明例２の絶縁回路基板を作製した。

（銀粒子ペーストの調製）
１２００ｇのイオン交換水を５０℃に保持しつつ、撹拌しながら、そのイオン交換水に５０℃に保持した９００ｇの硝酸銀水溶液と、５０℃に保持した６００ｇのクエン酸ナトリウム水溶液とを、５分かけて同時に滴下し、クエン酸銀スラリーを調製した。硝酸銀水溶液中の硝酸銀の濃度は６６質量％であり、クエン酸ナトリウム水溶液中のクエン酸の濃度は５６質量％とした。次いで、得られたクエン酸銀スラリーを５０℃に保持しつつ、撹拌しながら、そのクエン酸銀スラリーに、５０℃に保持した３００ｇのギ酸ナトリウム水溶液を３０分かけて滴下して混合スラリーを得た。このギ酸ナトリウム水溶液中のギ酸の濃度は５８質量％とした。次に、得られた混合スラリーを昇温速度１０℃／時間で温度６０℃まで昇温し、６０℃（最高温度）で３０分保持した後に、６０分間かけて２０℃まで冷却して、銀粒子スラリーを得た。得られた銀粒子スラリーを遠心分離機に投入し、１０００ｒｐｍの回転速度で１０分間処理して銀粒子を回収した。回収した銀粒子を凍結乾燥法により３０時間乾燥して、接合材用銀粉末を得た。得られた接合材用銀粉末８.５ｇと、エチレングリコール（関東化学株式会社製）２．５ｇを混合してペーストを調製した。

［本発明例３］
本発明例１の（１）絶縁層付き銅基板の作製工程において、絶縁層（絶縁層Ｂ）を下記の塗布法により形成したこと以外は、本発明例１と同様にして、本発明例３の絶縁回路基板を作製した。
（塗布液の調製）
ポリアミック酸（宇部興産社製、ユピアＳＴ）とＮＭＰ（Ｎ－メチル－２－ピロリドン）とを混合し、ポリイミドを溶解させることによって、ポリイミド濃度が１０質量％のポリイミド溶液を調製した。また、α－アルミナ粉末（結晶構造：単結晶、平均粒子径：１．６μｍ）とＮＭＰとを混合し、３０分間超音波処理を行なうことによって、α－アルミナ粒子濃度が１０質量％のα－アルミナ粒子分散液を調製した。

ポリイミド溶液とα－アルミナ粒子分散液とを、樹脂膜中のα－アルミナ濃度が６０体積％となる割合で混合した。得られた混合物を、株式会社スギノマシン社製スターバーストを用い、圧力５０ＭＰａの高圧噴射処理を１０回繰り返すことにより分散処理を行なって、塗布液を調製した。なお、α－アルミナ濃度は、塗布液を加熱して乾燥したときに生成する固形物中のα－アルミナ粒子の含有量である。

（絶縁層付き銅基板の作製）
銅基板（縦：１００ｍｍ、横：１００ｍｍ、厚み：１ｍｍ）の一方の表面に、上記の塗布液を、バーコート法により塗布して塗布膜を形成した。次いで、塗布膜を形成した銅基板をホットプレート上に配置して、室温から昇温速度３℃／分で６０℃まで昇温し、６０℃で１００分間加熱した後、さらに昇温速度１℃／分で１２０℃まで昇温し、１２０℃で１００分間加熱して、塗布膜を乾燥させた。次いで、銅基板を２５０℃で５分間加熱した後、窒素雰囲気下、４００℃で６０分間加熱した。こうして、銅基板の表面に、α－アルミナ単結晶粒子が分散されたポリイミド樹脂からなる絶縁層が形成された絶縁層付き銅基板を作製した。なお、得られた絶縁層は、膜厚が５０μｍで、熱伝導度が２Ｗ／ｍＫであった。

［本発明例４］
本発明例１の（１）絶縁層付き銅基板の作製工程において、絶縁層を本発明例３と同様に形成した。また、本発明例１の（３）第２銅板の接合工程において、銅粒子ペーストの代わりに、４Ｎアルミニウム薄膜（厚み：４００μｍ）を用い、下記のようにして第２銅板を接合した。以上のこと以外は、本発明例１と同様にして、本発明例４の絶縁回路基板を作製した。

（第２銅板の接合）
第１銅板の上に、この４Ｎアルミニウム薄膜と第２銅板とを積載して圧着装置に配置し、真空引きして減圧雰囲気とした後、１ＭＰａの圧力で加圧しながら５４０℃の温度で６０分間加熱して、第１銅板と第２銅板とを接合した。

［本発明例５］
本発明例１の（３）第２銅板の接合工程において、第２銅板の素子搭載領域のサイズを１５ｍｍ×１５ｍｍとした。そして、第１銅板の素子搭載領域の中央と、第２銅板の素子搭載領域の中央とが重ねるように、第１銅板と第２銅板とを接合したこと以外は、本発明例１と同様にして、本発明例５の絶縁回路基板を作製した。

［本発明例６～１０］
第１銅板又は第２銅板の厚みを下記の表１に示す厚みに変えたこと以外は、本発明例５と同様にして、本発明例６～１０の絶縁回路基板を作製した。

［本発明例１１］
接合材として、熱伝導度が７Ｗ／ｍＫのエポキシペーストを用い、第１銅板の上に、エポキシペーストを厚み５０μｍで塗布して、第１銅板と第２銅板とを結合したこと以外は、本発明例１と同様にして、本発明例１１の絶縁回路基板を作製した。

［比較例１～３］
第２銅板を接合しなかったこと、第１銅板の厚みを下記の表１に示す厚みに変えたこと以外は、本発明例１と同様にして、比較例１～３の絶縁回路基板を作製した。

［比較例４～６］
第２銅板を接合しなかったこと、第１銅板の厚みを下記の表１に示す厚みに変えたこと以外は、本発明例３と同様にして、比較例４～６の絶縁回路基板を作製した。

［比較例７］
第２銅板の厚みを０．３ｍｍとしたこと以外は、本発明例５と同様にして、比較例７の絶縁回路基板を作製した。

［評価］
素子搭載領域の表面に、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕはんだを塗布して、厚み１００μｍのはんだ層を形成した。次いで、はんだ層の上に、搭載面のサイズが６ｍｍ×６ｍｍの素子を搭載して、図１０又は図１１に示すパワーモジュールを得た。素子３を搭載した絶縁回路基板を、素子３の上部からトルク４０Ｎｃｍのねじによって積層方向に加圧した。過渡熱測定装置（Ｔ３Ｓｔｅｒ、メンター・グラフィクス社製）１００を、素子３と第２銅板の素子搭載領域４２ａとに接続した。そして、過渡熱測定装置１００を用いて、素子３から銅基板１０までの熱抵抗を測定した。素子の発熱条件は１０Ａ、１８０秒とし、熱抵抗の測定条件は、０．１Ａ、測定時間３００秒とした。同様の測定を、絶縁層を形成していない銅基板単体に対して行い、その熱抵抗を絶縁回路基板の測定値から減じた値を、熱抵抗とした。その結果を、下記の表１に示す。

回路層の回路パターンが第１銅板と、厚みが本発明の範囲内にある第２銅板とを積層した銅板積層体とされた本発明例１～１１の絶縁回路基板は、回路層の回路パターンが第１銅板のみからなる比較例１～６の絶縁回路基板と比較して熱抵抗が低減することがわかる。特に、接合材として、銅粒子、銀粒子、アルミニウム薄膜を用いた本発明例１～１０の絶縁回路基板は、熱抵抗が顕著に低減することがわかる。また、発明例８～１０と比較例７を比べることで、第２銅板の厚みが０．５ｍｍ以上必要であることがわかる。

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ パワーモジュール
２ はんだ層
３ 素子
４ リード線
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ 絶縁回路基板
２０ 金属基板
３０ 絶縁層
４０ 回路層
４１ 第１銅板
４２ 第２銅板
４３ 第３銅板
４１ａ、４２ａ、４３ａ 素子搭載領域
４１ｂ、４２ｂ 配線領域
４５ 銅板積層体
５０ 接合材
６０ 絶縁層付き金属基板
１００ 過渡熱測定装置

Claims (8)

1. 金属基板と、前記金属基板の一方の面に備えられた絶縁層と、前記絶縁層の前記金属基板とは反対側の面に備えられた回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、
   前記回路層は回路パターンを有し、
   前記回路パターンは２枚以上の銅板が積層された銅板積層体を含み、
   前記銅板積層体は、前記絶縁層とは反対側の面に位置する銅板の厚みが０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内にあることを特徴とする絶縁回路基板。
2. 前記銅板積層体は、前記絶縁層に接する銅板の厚みが０．０１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。
3. 前記２枚以上の銅板が互いに接合材を介して接合されていて、前記接合材は、熱伝導度が８０Ｗ／ｍＫ以上で、接合温度が２００℃以上４００℃以下の範囲内にある金属であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶縁回路基板。
4. 前記２枚以上の銅板が互いに接合材を介して接合されていて、前記接合材は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶縁回路基板。
5. 前記回路パターンは、素子が搭載される素子搭載領域を含み、前記素子搭載領域は前記銅板積層体とされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。
6. 前記銅板積層体は、前記絶縁層とは反対側の面に位置する銅板が最も厚いことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。
7. 金属基板と、前記金属基板の一方の面に備えられた絶縁層と、を備えた絶縁層付き金属基板の前記絶縁層の上に、回路パターン状に形成された銅板を接合する工程と、
   前記銅板の前記絶縁層とは反対側の面に、別に用意した銅板を接合して銅板積層体を形成する工程と、を含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の絶縁回路基板の製造方法。
8. 少なくとも１枚が回路パターン状に形成された銅板を２枚以上積層方向に接合して、銅板積層体を作製する工程と、
   前記銅板積層体を、金属基板と、前記金属基板の一方の面に備えられた絶縁層と、を備えた絶縁層付き金属基板の前記絶縁層の上に接合する工程と、を含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の絶縁回路基板の製造方法。

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