JP5077529B2 - 絶縁基板の製造方法、ならびに半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、放熱性に優れた絶縁基板およびその製造方法とこの絶縁基板を用いた半導体装置の製造方法に関する。

電源装置に使用される半導体モジュールは、家庭用エアコン、冷蔵庫などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲に渡って適用されている。特に、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体を搭載した半導体モジュールは、パワー半導体素子の発熱が大きいことから、パワー半導体素子を実装する基板に、放熱性に優れた金属ベース基板やセラッミクス板を用いた絶縁基板が用いられている。
図４は、金属ベース基板の従来例を示す断面図である。
図４において、１はアルミニウムや銅などのベース金属板、２０は図示しない無機フィラーを含有したエポキシ樹脂からなる絶縁層、３は回路パターン層である。
金属ベース基板は、ベース金属板１上に絶縁層２０を形成し、この絶縁層２０上に回路パターン３を形成した３層構造になっている。ここで、前記無機フィラーは酸化珪素（ＳｉＯ_２）,酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）,窒化アルミニウムＡｌＮなどから選択されたものである。

回路パターン３は、通常、銅箔が用いられているが、アルミ箔を用いてもよい。銅箔は、通常３５μｍ〜１４０μｍ程度の厚みのものが用いられている。この銅箔は、湿式エッチングにより所定の回路パターンに加工される。電流容量が１０Ａ程度と小さく、発熱の小さいパワー半導体の場合、そのパワー半導体は、直接この回路パターン３にはんだ付け接合により搭載される。パワー半導体の電流容量が大きくなる場合は、熱をこの回路パターン３上に広げて熱抵抗を低減させるため、銅箔の厚みは、１４０μｍ程度の厚いものにする。１４０μｍで足りない場合は、さらに厚い、例えば２００μｍ、２５０μｍなどの銅箔を用いる。さらに、回路パターン１０３の厚みを１ｍｍ以上、例えば３〜４ｍｍの厚みにすれば、ヒートスプレッダ効果が発揮され、パワー半導体で発生した熱は横方向に広がり、熱抵抗は大幅に低減される。

金属ベース基板に使用される絶縁層２０は、絶縁信頼性と熱放散性に優れていることが必要である。さらに、絶縁層２０としては、応力緩和性、耐湿性、耐熱性などに優れていることも要求されており、それに適した樹脂組成物も知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。このように、回路パターン３が熱放散性に優れた絶縁層２０を介してベース金属板１に接合されていることにより、金属ベース基板は、パワー半導体など高発熱部品を実装する配線基板として用いられている（特許文献１〜４参照）。
しかしながら、ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮなどの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂の場合、樹脂中に充填できる無機フィラーの量にも限界がある。その熱伝導率は現状７〜１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。したがって、適用できるパワー半導体モジュールの電流容量にも限界があり、現状では５０Ａクラス程度までしか適用できない。

これに対し、５０Ａを超える、より大容量の半導体モジュールの場合には、金属ベース配線基板ではなく、絶縁層の熱伝導率がより高いセラミックス板を用いた絶縁基板が用いられている。
図５は、セラミックス板を用いたい絶縁基板（以下セラミックス絶縁基板という）の従来例を示す断面図であって、（ａ）はセラミックス絶縁基板を示し、（ｂ）はベース金属が接合されたセラミックス絶縁基板を示している。
セラミックス絶縁基板は、セラミックス板３１の両面に回路パターン３が張り合わせられることによって構成されている。セラミックス板３１は、原料紛をバインダーと練り合せ、グリーンシートと呼ばれるシート状の絶縁板にし、これを高温にて焼成することによって作製される。その後に、回路パターン３用の銅箔、もしくはアルミニム箔を高温で接合することにより、配線基板にする。さらに、これらセラミックス配線基板は、通常、厚さ２〜３ｍｍ程度の銅板のベース金属３３にはんだ層３２を介して接合されている。

セラミックス板３１は、その原料として、ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４などが用いられている。そのセラミックス板３１の熱伝導率は、原料がＡｌ_２Ｏ_３の場合、約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、原料がＡｌＮの場合、１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、そして、原料がＳｉ_３Ｎ_４の場合、８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度となっており、エポキシ樹脂に無機フィラーを配合した場合に比べて、１〜２桁高くなっている。
図４，５のいずれの場合においても、回路パターン上に搭載するパワー半導体から外部にいたる経路の熱抵抗を低減するため、回路パターン３としての銅箔の厚さを厚くすることが試みられている。
特開2002-12653号公報 特開2002-76549号公報 特開2002-114836号公報 特開2003-229508号公報

しかしながら、前記した従来の金属ベース基板の場合、熱抵抗を低減するため、銅箔を厚くしていくと、回路パターン層を加工するためのエッチング加工の時間が厚みに比例して長くなっていくので、加工費が大幅に高くなり、コストが大幅に嵩んでしまうという問題点があった。しかも、回路パターン層の厚みが３〜４ｍｍにもなれば、銅を溶かすのに長い時間を要するだけでなく、回路パターン層の端部のエッチングが精度良くできなくなるので、エッチング加工自体が現実的でなくなる。
また、セラミックス絶縁基板の場合、セラミックス板を一度作製し、それに回路パターン層を接合し、エッチング加工し、このようにして作製されたセラミックス絶縁基板をベース金属にはんだで接合する、というように多くの工数が必要になっていることから、価格が高く、低価格化が困難であるという問題点があった。

しかも、セラミックス絶縁基板の場合、回路パターン用の銅箔をあまり厚くすることができない。ヒートスプレッダ効果を高めるために厚い銅箔もしくは銅板を貼り付ければよいが、約１０００℃以上の高温で銅板をセラミックス絶縁板に接合するので、両側の厚みを同じにしておかないと熱膨張係数の違いにより冷却時にバイメタル効果でそり曲がってしまう。また、前述のように、銅箔または銅板が厚くなるとエッチング加工費が大幅に高くなってしまうので、現在、セラミックス絶縁基板の回路パターンの厚みは、正確には０．６ｍｍ程度以下までしか用いられていない。
上記の従来技術に対し、絶縁板に金属箔を張り合わせ、その金属箔を加工して回路パターンを形成した配線基板において、回路パターンの上部に金属材料をコールドスプレー法により積層して厚みを上積みすることによって形成する方法がある。

このような絶縁基板によれば、金属箔の回路パターンの上にさらに厚い上積み金属パターンを形成することができる。
しかしながら、コールドスプレー法よる上積みするには高価なコールドスプレー用の金属粉体を多用せねばならず価格が高くなる問題があり、また、コールドスプレー法による成膜にも時間がかかってしまう問題があった。
本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは，少ない工数で製造が可能で安価かつ放熱性に優れた絶縁基板およびその製造方法ならびにこれを用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明では上記問題を解決するために、絶縁層上に形成された回路パターンに金属ブロックを接合し、少なくとも前記金属ブロック上に、コールドスプレー法にて金属材料を積層することにより形成された上積み回路パターンを備えるようにした。
このような絶縁基板によれば、半導体素子が発する熱を、上積み回路パターンおよび金属ブロックで拡散できるので熱抵抗を減らすことができ、熱抵抗の少ない放熱性に優れた配線基板を構成することができる。
また、絶縁層上に形成された回路パターン上に、はんだシートを介して金属ブロックを載置し、あるいは、予め金属ブロックをはんだ接合し、この金属ブロック上にコールドスプレー法にて金属材料を積層することにより、上積み回路パターンを形成するものとする。

このように製造すれば、従来の金属ベース基板やセラミックス絶縁基板に比べ、熱抵抗が大幅に少なく、放熱性に優れた絶縁基板を安価かつ容易に製造することができる

本発明によれば，金属ベース基板板もしくはセラミックス絶縁基板の回路パターン上に厚肉の回路パターンを直接形成できるので、熱抵抗が低く冷却性に優れたプリント配線板を安価かつ容易に製作することができる。
また、回路パターン上に接合される金属ブロックを覆うように上積み回路パターンを形成することにより、コールドスプレーに使われる高価な金属粉体を節約することができる。そして金属ブロックの上面だけでなく側面を覆うようにコールドスプレーをすることで使用金属のバルク状態で形成したと同様な効果を得られるように回路パターンを形成することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の配線基板の製造工程を示す断面図である。以下、図に沿って説明する。
図１（ａ）において、１はアルミニウムや銅などのベース金属板、２は図示しない無機フィラーを含有したエポキシ樹脂からなる絶縁層、３は回路パターン層である。
金属ベース基板は、ベース金属板１上に絶縁層２を形成し、この絶縁層２上に回路パターン３を形成した３層構造になっている。この本実施の形態では、ベース金属板に銅を用い、前記無機フィラーには酸化珪素（ＳｉＯ_２）,酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）,窒化アルミニウムＡｌＮなどから選択している。
本実施の形態では、回路パターン３には銅箔を用いた。アルミ箔を用いてもよい。この銅箔を湿式エッチングにより所定の回路パターンに加工する。ここで，回路パターン３の厚みは通常３５μｍから１４０μｍ程度のものを用いる。これは従来より用いられている標準的なものであり、安価に製造することができる。

後述する半導体モジュールの電流容量により、回路パターン３の幅・厚さが選択されるが，エッチング加工の観点からは、薄い方が有利である。
次に図１（ｂ）において、回路パターン３のうち、後の工程でパワー半導体が実装される回路パターンに板はんだ（シート）４と金属ブロック５を載置する。この状態で一旦加熱して回路パターン３上に金属ブロック５を半田付けしてもよい。この半田付け工程については後述する。金属ブロックには、導電性や熱膨張係数などを勘案して、銅，アルミニウム，鉄，チタン，モリブデンなどを用いる。本実施の形態では、銅を用いた。銅は、安価で加工しやすい上、鉄などに比べ、電気抵抗が低く、熱伝導率が高いため、パワー半導体の電流経路に用いても導電性，熱伝導性の面からも有利である。
次に図１（ｃ）において、６は所定の箇所のみ開口したマスクである。金属粉をコールドスプレー法で金属ブロック上に積層するため、金属ブロック上が開口されている。

ここでコールドスプレー法について説明する。コールドスプレー法は、溶射技術のひとつである。コールドスプレー法は、溶射材料の融点または軟化温度よりも低い温度のガスを超音速流にして、その流れ中に溶射材料粒子を投入して加速させ、固相状態のまま基材に高速で衝突させて皮膜を形成する技術である。コールドスプレーの特徴は、プラズマ溶射法，フレーム溶射法，高速フレーム溶射法などに比べ、溶射材料粒子を加熱・加速する作動ガスの温度が著しく低いことである。プラズマ溶射法などは2000〜8000℃の高い作動ガスの温度が必要であるが、コールドスプレーの場合、常温〜600℃程度の作動ガスでよい。溶射粒子をあまり加熱せ固相状態のまま基材へ高速で衝突させ、そのエネルギーにより基材と粒子に塑性変形を生じさせて皮膜を形成する。
コールドスプレー法による、製膜装置は次のように構成される。ボンベなどのガス源から供給された高圧ガスを粉末供給装置とガス加熱器に分岐させる。このうち，主流の作動ガスは電気炉などで直接または間接的に加熱されるコイル状のガス管内を流れて温度を上げて、溶射ガンに供給されて超音速ノズルにて加速されて噴出する。

一方、作動ガスの一部は粉末供給装置へ分流されてキャリアガスとして溶射粉末とともに溶射ガン後方に流入する。作動ガスの加熱は行わない場合もあるが，加熱した方が粒子速度を高くでき，かつ粒子の塑性変形を生じやすくするために有利である。ガスとしては空気，ヘリウム，窒素を使用する。
図１（ｃ）は、コールドスプレー法にて金属粒子を積層している様子を示している。本実施の形態では、粒子径が１〜５０μｍのモリブデンを用いた。粒子材料としては導電性や熱膨張係数などを勘案して、銅，アルミニウム，鉄，チタン，モリブデンなどを用いることができる。これらの粒子を５００ｍ／ｓ〜９００ｍ／ｓのスピードで、１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度離れた位置から金属マスク６をかいして噴射して、堆積させる。コールドスプレーにより積層された上積み回路パターンは、積層した金属の熱伝導率を得ることができる。モリブデンは、回路パターンに用いる銅に比べ、熱膨張係数がパワー半導体を形成するシリコンに近い。そのため、パワー半導体の発熱に伴うヒートサイクルで、パワー半導体と上積み回路パターンとの間の接合部分に印加される応力を抑制することができる。

図１（ｄ）は、上積み回路パターン７が形成された状態を示す。上積み回路パターン７の膜厚は、コールドスプレーの吹き付け時間を制御することで、所望の膜厚とすることができる。上積み回路パターン７の厚さは、パワー半導体の通電時に発生する熱を考慮して設定する。例えば、０．５ｍｍ〜から５ｍｍ程度である。また、金属ブロックの厚みは、コールドスプレーで上積み予定厚みの５０％〜７０％に設定する。
図１（ｂ）で示した板はんだ４の厚みは１２５μｍ〜２５０μｍの板はんだを用いる。予め、回路パターン３に金属ブロック５のはんだ付けを行う場合は、はんだ層の厚さが１００μｍ〜１５０μｍとなるようにする。
回路パターン３と金属ブロック５のはんだ付けを、上積み回路パターンの積層前に行うと、はんだ溶融時に発生するガスなどが側面から抜けやすく、金属ブロック５と回路パターン３との間にボイドが残りにくくなる。後に、半導体素子や外部導出端子のはんだ付けを行う場合、後のはんだ付け工程で回路パターン３と金属ブロック５のはんだが溶融して流出してしまわないために、後の工程で用いるはんだより融点の高いはんだを選択する必要がある。

あるいは、回路パターン３と金属ブロック５のはんだ付けに板はんだを用い、上積み回路パターン形成後の、半導体素子や外部導出端子のはんだ付けと同時に行ってもよい。この場合、はんだ付け工程を削減でき、使用するはんだも融点が同じものを選択することができる。また、板はんだを用いれば、はんだ溶融時のガスの発生がほとんどなく、ボイドの発生も抑制される。さらに、図示しないが、はんだ溶融時に発生するガスを抜きやすくするために、上積み回路パターンをコールドスプレー法で成膜する際に、回路パターン３と金属ブロック５の接合部を完全には覆わないよう、マスク６に開口部の形状を調節すればよい。
なお、ここでは、金属ベース基板の場合について説明したが、図５に示したセラミックス絶縁基板でも同様の製造方法で上積み回路パターン７を形成することができる。

図２は、コールドスプレーにより積層された上積み回路パターン７上にパワー半導体８を実装した状態を示す。パワー半導体８は通常SnPb系はんだやSnAgCu系はんだで接合を行う。続いて、パワー半導体８と外部回路への接続を行うためワイヤ９を接続する。パワー半導体のように電流容量が大きい素子の場合は通常アルミニウム製ワイヤを用いる。
なお、回路パターン３，金属ブロック５にはんだ接合が難しい材料を選択した場合、図３に示すように、回路パターン３，金属ブロック５の表面（はんだ接合面）に、予めはんだ濡れ性のよいめっき層１０を形成しておくとよい。めっき層１０はニッケルめっきなどが好適である。
図３（ａ）は、図１（ｄ）に相当する断面図、図３（ｂ）は要部の断面図であって、同図（ａ）とはめっき層が異なる。

図３（ａ）の例では、回路パターン３上のめっき層１０は、はんだ接合領域にのみ形成されている。このように、めっき層１０を回路パターン３上に選択的に形成することにより、回路パターン３と上積み回路パターン７との間にめっき層が介在せず、両者の接合が強固なものとなる。
図３（ｂ）の例では、回路パターン３上の全面にめっき層１０を形成している。このように、めっき層１０を回路パターン３の全面に形成すれば、同図（ａ）の如く選択的なめっき（部分めっき）のためのマスク工程が不要となる。また、上積み回路パターンとしてコールドスプレーによって積層される金属は、めっき層と同じ金属か、めっき層と接合の強い金属（例えばニッケル）を選択するとよい。
最後に、回路パターン３，はんだ４，金属ブロック５，上積み回路パターン７の合計の厚さの設定について説明する。

上積み回路パターンに接合されるパワー半導体８から発生する熱流は、絶縁基板に向かって、通常、斜め４５度の角度で拡散し広がるという性質を有している。したがって、パワー半導体８のチップ端部から上積み回路パターン５の端部までの距離ａは、回路パターン３，はんだ４，金属ブロック５，上積み回路パターン７の合計の厚みｂと等しければ、ヒートスプレッダ効果が最大に発揮され、熱抵抗を大幅に低減することができる。このため、パワー半導体８の大きさに対して無理に回路パターン３および上積み回路パターン５の幅を広げる必要はないし、無理に上積み回路パターン５の厚みを増加させる必要もない。
以上の関係から、搭載されるパワー半導体８の端部から上積み回路パターン５の端部までの距離ａと回路パターン３，はんだ４，金属ブロック５，上積み回路パターン７の合計の厚みｂとの比は、１が最適であるが、０．８〜１．２の範囲であれば、実質的に十分な熱拡散性が得られる。これが０．８未満では十分な熱拡散性が得られない場合が生じ、１．２を超えても効果は飽和することになる。

本発明の配線基板の製造工程を示す断面図である。 コールドスプレーにより積層された上積み回路パターン上にパワー半導体を実装した状態を示す図である。 回路パターン，金属ブロックの表面に予めめっき層を形成した状態を示す図である。 金属ベース基板の従来例を示す断面図である。 セラミックス板を用いたい絶縁基板の従来例を示す断面図である。

符号の説明

１ ベース金属板
２ 絶縁層
３ 回路パターン
４ はんだ
５ 金属ブロック
６ マスク
７ 上積み回路パターン
８ パワー半導体
９ ワイヤ

Claims (7)

1. 絶縁層上に形成された回路パターン上にはんだシートを介して金属ブロックを載置し、該金属ブロック上にコールドスプレー法にて金属材料を積層することにより、上積み回路パターンを形成することを特徴とする絶縁基板の製造方法。
2. 絶縁層上に形成された回路パターン上に、予め金属ブロックをはんだ接合し、該金属ブロック上にコールドスプレー法にて金属材料を積層することにより、上積み回路パターンを形成することを特徴とする絶縁基板の製造方法。
3. 前記回路パターンおよび前記金属ブロックの少なくとも前記はんだシートに接する部分に、予めはんだ濡れ性を有するめっき層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁基板の製造方法。
4. 前記上積み回路パターンは、銅，アルミニウム，モリブデン，ニッケルのいずれかを用いコールドスプレー法にて形成することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の絶縁基板の製造方法。
5. 前記金属ブロックは、コールドスプレー法にて形成される上積み回路パターンの原料と接合される金属を用いたことを特徴とする請求項４に記載の絶縁基板の製造方法。
6. 絶縁層上に形成された回路パターン上にはんだシートを介して金属ブロックを載置し、該金属ブロック上にコールドスプレー法にて金属材料を積層することにより、上積み回路パターンを形成し、該上積み回路パターン上にはんだを介して半導体素子を載置し、前記回路パターンと前記金属ブロックとの間のはんだシートと、前記上積み回路パターンと前記半導体素子との間のはんだとを同一の溶融工程にて溶融させ、それぞれ接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 絶縁層上に形成された回路パターン上に、予め金属ブロックをはんだ接合し、該金属ブロック上にコールドスプレー法にて金属材料を積層することにより、上積み回路パターンを形成し、前記回路パターンと前記金属ブロックとの間を接合したはんだより融点の低いはんだを用いて、前記上積み回路パターン上に半導体素子を接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

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