JP4545022B2 - 回路装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は回路装置およびその製造方法に関し、特に、放熱性と耐圧性を両立させた回路装置およびその製造方法に関するものである。
図7を参照して、従来の混成集積回路装置100の構成を説明する(下記特許文献1を参照)。矩形の基板101の表面には、絶縁層102を介して導電パターン103が形成されている。そして、導電パターン103の所望の箇所に回路素子105が固着されることで、所定の電気回路が形成される。ここでは、回路素子として半導体素子およびチップ素子が、導電パターン103に接続されている。リード104は、基板101の周辺部に形成された導電パターン103に接続され、外部端子として機能している。封止樹脂108は、基板101の表面に形成された電気回路を封止する機能を有する。
封止樹脂108の構造は、2通りの構造がある。第1の構造は、基板101の裏面を露出させて封止樹脂108を形成する方法である。この構造によると、外部に露出する基板101を介して、良好な放熱を行うことができる。第2の構造は、基板101の裏面を含めて全体が被覆されるように封止樹脂108を形成する方法である。この構造によると、基板101の耐圧性および耐湿性を確保することができる。この図では、基板101の裏面も含めて全体を封止している。基板101の裏面を被覆する部分の封止樹脂108の厚みは、例えば0.5mm程度である。特に、基板101が接地電位に接続される場合は、上述した第2の構造が適用され、基板101は外部と絶縁される。
特開平5−102645号公報
しかしながら、基板101の裏面が被覆されるように封止樹脂108が形成された場合、基板101の裏面を被覆する封止樹脂108の熱伝導率が悪いために、装置全体の放熱性が低下する問題があった。
基板101の裏面を被覆する封止樹脂108の厚み(T5)を薄く形成すると、放熱性の向上が期待される。しかしながら、封止樹脂108の厚みT5を0.5mm以下に設定すると、射出成形により封止樹脂108を形成するモールド工程にて、基板101の裏面に樹脂が行き渡らない問題があった。
更に、放熱性を向上させるために基板101の裏面を外部に露出させると、基板101と基板101が接する放熱フィンとの絶縁性を確保できない問題があった。また、基板101と封止樹脂との接続強度を低下させる問題もあった。
本発明は、上述した問題を鑑みてなされ、本発明の主な目的は、放熱性と耐圧性とを両立させた回路装置およびそうの製造方法を提供することにある。
本発明の回路装置では、表面に第1の絶縁層が設けられ、裏面に第2の絶縁層が設けられた回路基板と、第1の絶縁層の表面に形成された導電パターンおよび回路素子から成る電気回路と、第2の絶縁層の表面に貼着された金属基板と、電気回路を封止する封止樹脂とを具備し、封止樹脂は、少なくとも回路基板の表面、側面および裏面の周辺部を被覆することを特徴とする。
また、本発明の回路装置では、金属基板はBステージ樹脂が硬化することにより貼着されることを特徴とする。
また、本発明の回路装置では、金属基板を規定の形状に分割する際に、金属基板の周辺端部にバリが形成さ、バリの突出する面と対向する面が第2の絶縁層の表面に貼着されることを特徴とする。
また、本発明の回路装置では、金属基板の裏面は、封止樹脂から露出することを特徴とする。
また、本発明の回路装置では、金属基板の裏面および封止樹脂から成る平坦面が形成されることを特徴とする。
また、本発明の回路装置の製造方法では、回路基板の裏面に絶縁層を介して金属基板を貼着し、回路基板の表面に絶縁層を介して導電箔を貼着する工程と、導電箔をパターニングして導電パターンを形成する工程と、回路基板の表面の導電パターンおよび回路素子から成る電気回路を構成する工程と、少なくとも回路基板の表面が被覆されるようにモールド金型を用いて封止樹脂を形成する工程とを具備し、金属基板はBステージ樹脂を介して回路基板の裏面に貼着されることを特徴とする。
また、本発明の回路装置の製造方法では、金属基板の表面にはBステージ樹脂が塗布されており、前記金属基板は熱圧着により回路基板に貼着されることを特徴とする。
更に、本発明の回路装置の製造方法では、金属基板の表面にはBステージ樹脂が塗布されており、金属基板は金属基板の裏面にバリが形成されるように所望の形状に切断され、前記金属基板の表面と回路基板の裏面とが貼着されることを特徴とする。
本発明によれば、回路装置の裏面に金属基板が貼着されている。従って、回路装置に内蔵された回路素子から発生する熱の放熱性を向上させることができる。また、封止樹脂は金属基板が露出するように、回路基板の表面、側面および裏面の周辺部を被覆している。従って、封止樹脂によりアンカー効果が発生し、封止樹脂と回路基板との接着強度を向上させることができる。
また、本発明によれば、金属基板と回路基板との固着材としてBステージ樹脂を用いているため、固着材のはみ出しまたはムラなどが生じないので、回路装置の品質向上に寄与する。
また、金属基板のバリが形成された面と対向する面を回路基板と接着しているので、バリが絶縁層を破壊し、金属基板と回路基板とが導通することにより、絶縁耐圧が劣化することを抑止している。
更に、本発明に依れば、金属基板の裏面を封止樹脂から露出させた状態で、金属基板と外部との耐圧性を十分に確保することができる。従って、放熱性と耐圧性とを両立させた回路装置を提供することができる。
また、本発明の回路装置の製造方法によれば、Bステージ状の樹脂が塗布されたシート状の金属基板を回路基板に貼着している、従って、金属基板と樹脂から成る厚みを安定させることができるので、回路装置の寸法安定性を向上させることができる。
また、本発明の回路装置の製造方法に依れば、回路基板の裏面の周辺部を封止樹脂により被覆する。従って、裏面を被覆する封止樹脂によりアンカー効果が発生し、封止樹脂と回路基板との接着強度を向上させることができる。
図1を参照して、本発明の回路装置について説明する。ここでは複数の半導体チップが同一基板上に実装された混成集積回路装置10を例にとって説明していく。
先ず、矩形の回路基板11の表面には、第1の絶縁層12Aが形成されている。そして、所定の形状の導電パターン13が、第1の絶縁層12Aの表面に形成されている。更に、導電パターン13の所定の箇所には、半田、導電性ペーストまたは金属細線を介して、半導体素子15Aおよびチップ素子15Bが電気的に接続されている。回路基板11の表面に形成された導電パターン13、半導体素子15Aおよびチップ素子15Bは、封止樹脂14により被覆されている。更に、回路基板11の裏面の周辺部のみが封止樹脂14により被覆され、回路基板11に貼着された金属基板16が外部に露出している。具体的には、封止樹脂14から露出する金属基板16は、樹脂19を介して回路基板11の裏面を被覆する第2の絶縁層12Bに貼着されている。
回路基板11は、アルミや銅等の金属から成る基板である。例えば回路基板11としてアルミより成る基板を採用した場合、回路基板11の表面はアルマイト処理または化成処理される。このことにより、第1の絶縁層12Aと回路基板11との接着性が向上される。回路基板11の具体的な大きさは、例えば、縦×横×厚さ=61mm×42.5mm×1.5mm程度である。またCuから成る回路基板を採用した場合、接着性向上を目的として表面を粗面化してもよい。特に裏面は、金属基板との接着性を考慮し、粗面化が有効である。
第1の絶縁層12Aは、回路基板11の表面全域を覆うように形成されている。絶縁層12は、Al、SiO等の熱伝導性がエポキシより良好なフィラーが高充填されたエポキシ樹脂等から成る。このことにより、内蔵される回路素子から発生した熱を、回路基板11を介して積極的に外部に放出することができる。第1の絶縁層12Aの具体的な厚みは、例えば50μm程度である。この厚みの絶縁層12により、4KVの耐圧(絶縁破壊耐圧)を確保することができる。
第2の絶縁層12Bは、回路基板11の裏面を覆うように形成されている。第2の絶縁層12Bの組成は、第1の絶縁層12Aと同様でもよい。回路基板11の裏面を第2の絶縁層12Bにて被覆することで、回路基板11の裏面の耐圧性を確保することができる。従って、放熱フィン等の放熱手段が回路基板11の裏面に当接した場合でも、第2の絶縁層12Bにより、放熱フィンと回路基板11とは絶縁される。
導電パターン13は銅等の金属から成り、所定の電気回路が実現されるように第1の絶縁層12Aの表面に形成される。また、リード25が導出する辺に、導電パターン13からなるパッドが形成される。
半導体素子15Aおよびチップ素子15Bの回路素子は、導電パターン13の所定の箇所に固着されている。半導体素子15Aとしては、トランジスタ、LSIチップ、ダイオード等が採用される。ここでは、半導体素子15Aと導電パターン13とは、金属細線17を介して接続される。チップ素子15Bとしては、チップ抵抗やチップコンデンサ等が採用される。更に、チップ素子15Bとしては、インダクタンス、サーミスタ、アンテナ、発振器など、両端に電極部を有する素子が採用される。更にまた、樹脂封止型のパッケージ等も、回路素子として導電パターン13に固着することができる。
リード25は、回路基板11の周辺部に設けられたパッドに固着され、外部との入力・出力を行う働きを有する。ここでは、一つの側辺に多数個のリード25が固着されている。尚、リード25は回路基板11の4辺から導出させることも可能であり、対向する2辺から導出させることも可能である。
また図面では開示されないが、導電パターン13は、多層であってもよい。当然ながら第1層目の配線層とその上の第2の配線層、この第2の配線層と第3の配線層、・・・とは、層間絶縁膜が配置される。
封止樹脂14は、熱硬化性樹脂を用いるトランスファーモールドにより形成される。図1(B)では、封止樹脂14により、導電パターン13、半導体素子15A、チップ素子15B、金属細線17が封止されている。そして、回路基板11の表面および側面も封止樹脂14により被覆されている。更に、回路基板11の裏面においては、周辺部、そして金属基板の側面が封止樹脂14により被覆されており、金属基板16の裏面は封止樹脂14から露出している。このように、回路基板11裏面の周辺部を封止樹脂14により被覆することで、アンカー効果が発生し、回路基板11と封止樹脂14との接着強度が向上する効果がある。そして、金属基板16の裏面を露出させることにより、半導体素子15A等が駆動することにより発生する熱は、金属基板16を介して良好に外部に放出される。本来、第2の絶縁層12A、樹脂19は、熱伝導性が劣るが、その膜厚が薄いこと、それに必要により前記フィラーが入ることにより改善される。
金属基板16の材料としては、銅、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属が採用される。本形態では、アルミニウムを採用し、樹脂19を介して回路基板11の裏面に貼着されている。また、表面にBステージ(半硬化)の樹脂19が塗布されたシート状のアルミニウム基板(厚みは、約0.5mm)を用いて回路基板11に貼着することにより、樹脂のムラやはみ出しが抑止されている。更に、樹脂19が塗布されたシート状で回路基板に貼着されるため、金属基板16と樹脂19から成る厚みが安定しており、回路装置の寸法安定性に優れている。このシート状の樹脂付きアルミニウム基板はプレスカットによって、所望の形状に形成されている。このとき、アルミニウム基板の片面にはバリが形成されるが、樹脂19が塗布された面と対向する面にバリが突出するようにプレスカットされている。従って、バリが第2の絶縁層12Bを貫通して回路基板11と接触し、絶縁耐圧の劣化が生じることを防止している。
また、回路装置の裏面は、回路基板11の周辺部を被覆する封止樹脂14と、金属基板16の裏面から成る平坦面が形成されている。従って、混成集積回路装置10の裏面を、放熱フィン等の放熱手段と容易に当接させることができる。
本形態では金属基板の裏面には絶縁層が形成されていない。
上述したように、本形態では金属基板16の裏面に絶縁層が設けられていないが、酸化膜などの絶縁層を設けることも可能である。例えば、酸化膜は陽極酸化により形成されたアルマイト膜から成る。ここで、回路基板11の厚みが1.5mm程度であるのに対し、金属基板16の厚みは例えば0.5mm程度である。そして、酸化膜の厚みは、例えば10μm程度に形成される。金属基板16の裏面に酸化膜29が形成されることにより、露出する金属基板16の裏面が損傷するのを抑止することができる。
本形態では、回路基板11裏面の周辺部を封止樹脂14により被覆することで、回路基板11の端部Pの耐電圧性を確保することができる。具体的には、回路基板11の表面および裏面には、第1の絶縁層12Aおよび第2の絶縁層12Bが全面的に形成されている。従って、回路基板11の表面および裏面の耐圧性は確保されている。それに対して回路基板11の側面は、樹脂層により被覆されておらず、金属面が露出している。このことから、回路基板11の絶縁を確保するためには、回路基板11の側面(特に端部P)が、回路基板11と封止樹脂14との境界面を介して外部(金属基板と固定されたシャーシーまたは放熱フィン等)とショートすることを防止する必要がある。そこで、本形態では、端部Pが外部と離間されるように、回路基板11裏面の周辺部に封止樹脂14を形成している。即ち、端部Pを包み込むように封止樹脂14が形成されている。具体的には、図1(B)を参照して、封止樹脂14により覆われる領域の幅をL1で示しており、このL1の長さは要求される耐圧により変化するが、2mm〜3mm程度以上にすることが好ましい。このことにより、回路基板11の端部Pの耐圧を確保することができる。例えば、L1の長さが2mmの場合は、端部Pの耐圧を2KV確保することができる。また、L1の長さが3mmの場合は、端部Pの耐圧を3KV確保することができる。尚、回路基板11の裏面を被覆する部分の封止樹脂14の厚みT1は、例えば金属基板16と同等になるので、0.5mm程度である。このようにして、回路基板11全体の耐圧性が確保されている。
上述したように、2枚の金属基板を採用した回路装置は、放熱性が優れるため、例えば車載等のモジュールに適用される。つまり高出力のパワー素子とこのパワー素子を制御する回路、またマイコン等が高密度にモジュール化される場合、放熱性も高く、封止性も優れたパッケージを必要とされる。
図2から図6を参照して、上述した構成の混成集積回路装置10の製造方法を説明する。
図2(A)を参照して、先ず、回路基板11の表面に第1の絶縁層12Aを形成し、回路基板の裏面に第2の絶縁層12Bを形成する。
回路基板11の大きさは、例えば数十個程度のユニット32をマトリックス状に配置できるような大きさとなっている。ここで、ユニットとは、一つの混成集積回路装置を構成する部位を指す。回路基板11としては、アルミニウム、銅、鉄などを採用することができる。ここでは一実施例として、アルミニウム基板が回路基板11として採用されている。また、表面および裏面がアルマイト処理されたアルミニウム基板を採用してもよい。回路基板11の厚みは1.5mm程度である。また、第1の絶縁層12Aおよび第2の絶縁層12Bの厚みは、50μmから60μm程度である。更に、回路基板11の表面および裏面が、酸化膜により被覆されていてもよい。この酸化膜としては、例えばAlを含むアルマイト膜が採用され、厚みは1μmから5μm程度である。このように酸化膜を薄く形成することで、熱抵抗を小さくすることができる。
図2(B)を参照して、第2の絶縁層12Bの表面に樹脂19を介して金属基板16を貼着する。ここでは、厚みが0.5mm程度の金属基板16の表面にBステージ(半硬化)状の樹脂19が設けられたシート状の貼着基板31が用いられている。この樹脂19は、例えばエポキシ樹脂であり、熱プレスをすることにより硬化する樹脂である。本形態では、温度150度で1時間程度、熱プレスすることにより、樹脂19を完全に硬化させて第2の絶縁層12Bの表面に金属基板16を貼着させる。このシート状の貼着基板31は、所望の形状にカットされた後、各ユニット32の所定の箇所に貼着される。この樹脂19は接着剤の役割と絶縁層の役割を担っており、絶縁性を更に高める場合においては、樹脂19に絶縁フィルムを介在させてもよい。
また金属基板16の厚みにもよるが、カットせずに貼り付け、硬化させた後にエッチングにより小板にしても良い。
図3および図4を参照して、貼着基板31の詳細を説明する。
先ず、図3(A)を参照して、金属基板16の表面に樹脂19が塗布された貼着基板を用意する。そして、金型29を用いてプレスカットすることにより、所望の形状の貼着基板31を形成する。しかし、プレス加工することにより、金属基板16の周辺端部にはバリが形成される。そこで、バリが樹脂19の塗布された面と対向する面に形成されるようにプレス加工を行ことにより、図3(B)に示すような貼着基板31を形成する。これは図4に示すように、貼着基板31を回路基板11に貼着させた際に、バリ30が第2の絶縁層12Bを貫通することにより、その部分の耐圧性が低下し、短絡が発生するのを防止するためである。
また、樹脂19はBステージ状態であるため加工性に優れ、プレスによる破損または剥離などが生じない。従って、金属基板16と回路基板11との接着信頼性を向上させることができる。また、たとえ樹脂19の端面にクラックが生じても、熱圧着の工程で樹脂19が軟化するのでクラックを除去することができる。このことにより、金属基板16の表面全体に樹脂19による絶縁層を確実に形成することができる。
図5(A)を参照して、回路基板11の表面に導電箔26を貼着する。ここでは、導電箔26は第1の絶縁層12Aを介して回路基板11の表面に貼着されている。一例として、導電箔26の厚みは70μm程度である。また、貼着された金属基板16間の間隔は図1(B)で示した距離L1の2倍程度以上に設定され、具体的には4mmから6mm程度以上である。
図5(B)を参照して、エッチングを行うことにより、導電箔26をパターニングして導電パターン13を形成する。導電パターン13は、導電箔26の上部に形成されたレジストを介してエッチングを行うことにより形成される。本図では、一層の導電パターンが形成されているが、この上に絶縁層を介して2層以上の導電パターンを形成してもよい。
図5(C)を参照して、各ユニット32の回路基板11を分離する。回路基板の分離は、プレスカット、ダイシング、折り曲げ等により行われる。ここで、ダイシングまたは折り曲げにより回路基板11を分離する場合は、各ユニット32の境界の回路基板11に、表面および裏面から分離溝を形成しても良い。このことにより、各々の回路基板を容易に分離できる。
図6(A)を参照して、導電パターン13に回路素子を電気的に接続する。ここでは、半導体素子15Aおよびチップ素子15Bが導電パターンに固着される。また、半導体素子15Aは、金属細線17を介して導電パターン13と電気的に接続される。また、この工程は、各ユニット32を分離する前に行っても良い。
図6(B)を参照して、回路基板11が被覆されるように封止樹脂を形成する。先ず、回路基板11の下面に位置する金属基板16の裏面を、下金型22Bに当接させる。そして、上金型22Aと下金型22Bとを当接させることにより、キャビティ23の内部に回路基板11を収納させる。ここで金属基板16は、回路基板よりもそのサイズが小さいため、回路基板11の周辺部は、金属基板16の厚みに応じて下金型22Bから離間されている。このことから、キャビティ23に注入された封止樹脂は、回路基板の下方の領域A1に行き渡る。
上述した工程により、図1に示したような混成集積回路装置10が製造される。
ここで、更なるメリットを説明する。図7に図示されるように、樹脂108を封止する際、下金型と基板101の間に樹脂108が回りこまなくてはならない。しかし回路基板101のサイズが大きくなればなるほど、この樹脂の回りこみが困難になる。これは、面積が大きくなること、基板の放熱性が高く、流動性を示す樹脂が固まり始めるからである。しかし本願は、図6Bに示すように、金属基板16で、樹脂の封止エリアを限定させており、回路基板裏面の周囲にだけ樹脂が封止されれば良いため、未注入部の形成等が抑制できる。
また図1に戻り、本願の効果を説明する。一般にプレスで回路基板11を打ち抜く場合、どうしても刃が当たる部分およびその近傍には、絶縁樹脂12A、12Bがあるため、ここにクラックが入りやすい。しかしながら、金属基板16は、Bステージの樹脂19を採用しているため、プレスで打ち抜いてもクラックが入りにくい。これは常温では固化しているが加熱すると溶融するため、たとえクラックが入っても、過熱して固化した際に埋まってしまうからである。よってショートを起こすパスの一方は、クラックの発生が抑止されていることもあり、更に耐電圧特性が向上できる。しかもBステージで全面に均一に樹脂19があるため、ボイドをかむことも無く、回路基板と金属基板の間の間隔を全面に渡り均一にできる。よって熱伝導率のバラつきも抑制できる。
本発明の回路装置を示す(A)斜視図、(B)断面図である。 (A)(B)は、本発明の回路装置の製造方法を示す断面図である。 (A)(B)は、本発明の回路装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の回路装置の製造方法を示す断面図である。 (A)−(C)は、本発明の回路装置の製造方法を示す断面図である。 (A)(B)は、本発明の回路装置の製造方法を示す断面図である。 従来の混成集積回路装置を示す断面図である。
符号の説明
10 混成集積回路装置
11 回路基板
12A 第1の絶縁層
12B 第2の絶縁層
13 導電パターン
14 封止樹脂
15 回路素子
15A 半導体素子
15B チップ素子
16 金属基板
17 金属細線
19 樹脂
22A 上金型
22B 下金型
23 キャビティ
25 リード
29 金型
30 バリ
32 ユニット

Claims (8)

  1. 表面に第1の絶縁層が全面的に設けられ、裏面に第2の絶縁層が全面的に設けられた金属からなる回路基板と、
    前記第1の絶縁層の表面に形成された導電パターンと、
    前記導電パターンに固着された回路素子と
    前記回路基板裏面の前記第2の絶縁層に貼着された前記回路基板よりも平面サイズが小さい平坦な金属基板と、
    前記導電パターンおよび前記回路素子を覆って前記回路基板に設けられた封止樹脂とを具備し、
    前記封止樹脂は、前記回路基板の側面、前記回路基板裏面の周辺部および前記金属基板の側面を被覆し、前記封止樹脂の面と平坦面を成すように前記金属基板の裏面を露出し、前記回路基板裏面の周辺部に設けられた前記封止樹脂は、前記金属基板の厚みであることを特徴とする回路装置。
  2. 前記回路基板と貼着される側の前記金属基板表面には、樹脂が設けられ、前記樹脂と前記第2の絶縁層が貼着されることで、前記回路基板の裏面に前記金属基板が固着されることを特徴とする請求項1記載の回路装置。
  3. 前記樹脂は、Bステージの状態で硬化されたものである請求項2に記載の回路装置。
  4. 前記金属基板は、プレスにより形成されたもので、前記プレスにより発生するバリがある面と対向する面が前記第2の絶縁層の表面に貼着されることを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3に記載の回路装置。
  5. 前記導電パターンの一つであり、前記回路基板の一側辺の近傍に配置されたパッドと、前記パッドに固着されたリードとを有することを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3に記載の回路装置。
  6. 表面に第1の絶縁層が全面的に設けられ、裏面に第2の絶縁層が全面的に設けられ、前記第1の絶縁層の表面に形成された導電パターンと、前記導電パターンに固着された回路素子と、前記第2の絶縁層に貼着された金属基板とを有する金属からなる回路基板を用意し、
    上金型と下金型から成るキャビティに於いて、前記下金型に前記金属基板の裏面が当接された状態で、前記キャビティに前記回路基板を収納し、
    前記キャビティに封止樹脂を注入して、前記回路基板を封止する回路装置の製造方法に於いて、
    前記回路基板裏面の周辺部は、前記金属基板の厚みに応じて、前記下金型から離間され、前記回路基板の側面、前記回路基板裏面の周辺部および前記金属基板の側面を被覆し、前記封止樹脂表面と平坦面を成すように前記金属基板の裏面を露出する事を特徴とする回路装置の製造方法。
  7. 前記金属基板の表面にはBステージ樹脂が塗布されており、前記金属基板は前記回路基板に貼着されることを特徴とする請求項6記載の回路装置の製造方法。
  8. 前記金属基板の表面にはBステージ樹脂が塗布されており、前記金属基板は前記金属基板の裏面側にバリが形成されるように所望の形状に切断され、前記金属基板の表面と前記回路基板の裏面とが熱圧着により貼着されることを特徴とする請求項6記載の回路装置の製造方法。
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