JP5486608B2 - 絶縁性構造及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁性熱伝導構造及びその製造方法に関する。
近年の半導体モジュール、特に、大電流をスイッチ制御するパワー半導体モジュールでは、半導体デバイスの高出力化、高集積化の急速な進行とともに、半導体デバイスの発熱量が増大している。そこで、半導体デバイスの冷却効率の向上が要求され、優れた熱伝導性と、温度サイクル等による熱変形作用に対する安定性に優れる絶縁性基板が検討されている。例えば、特開２００６−２７８５５８号公報（特許文献１）には、エアロゾルデポジション法を用いて金属基材上にセラミック層を直接形成した絶縁性熱伝導構造、及び絶縁性熱伝導構造を有するパワー半導体モジュールが記載されている。
しかしながら、従来の絶縁性熱伝導構造の課題として、熱伝導性と熱変形作用に対する安定性の両立が残されている。すなわち、絶縁層を構成するセラミック層と金属基材及び回路層に温度サイクル等による熱変形作用が与えられると、セラミック層と金属基材及び回路層の熱膨張差に応じた熱応力が生じ、セラミック層にクラックが生じる恐れがある。逆に、セラミック層と金属基材及び回路層界面の熱応力を緩和する目的で、熱膨張率の異なるセラミック層を複数積層すると、絶縁層の膜厚の増大とともに熱抵抗が増大し、絶縁性熱伝導構造の熱伝導性が悪くなる。
本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、優れた熱伝導性と、温度サイクル等による熱変形作用に対する安定性を兼ね備えた絶縁性熱伝導構造の提供を目的とする。
上記目的を達成するために、本発明者は、種々の検討結果から以下の絶縁性熱伝導構造とその製造方法を見出した。
上記課題を解決するために本発明では、金属基材と、前記金属基材上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された金属層とを備えた絶縁性熱伝導構造を、前記絶縁層は、セラミック相と、樹脂相とを備え、前記セラミック相は、溝により隔てられた複数のパターンに分かれて形成され、当該溝の中に前記樹脂相が形成されるように構成した。
また、上記課題を解決するために本発明では、絶縁性熱伝導構造の製造方法において、金属基材上に、粒子衝突成膜法によりセラミック相を形成する工程と、前記セラミック相の間に樹脂相を形成する工程と、前記セラミックス相及び樹脂相上に金属層を形成する工程とを含み、前記セラミック相は、溝により隔てられた複数のパターンに分かれて形成され、当該溝の中に前記樹脂相が形成されるようにした。
優れた熱伝導性と、温度サイクル等による熱変形作用に対する安定性を兼ね備えた絶縁性熱伝導構造を低コストで提供できる。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
本発明による第１の実施形態とその製造方法について、図１から図３を参照して詳細に説明する。尚、以下の実施形態においては、パワー半導体モジュールに用いる絶縁性熱伝導体を形成する形態を例に説明するが、絶縁性熱伝導体の用途は以下の実施例に制限されるものではない。
本実施形態による絶縁高熱伝導構造体１は、図１に示すように、例えば、Ａｌ或いはＡｌ合金からなる板状の金属基材２表面の少なくとも一部に、金属基材側から順に、絶縁層３、回路層４を備えている。
金属基材２には、熱伝導率が高い導電性材料、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金を使用できる。
金属基材２の形状及び厚みに制約はなく、絶縁性熱伝導体１の使用形態に合わせ、板状、箔状、櫛歯状等の種々の形状と厚みを適宜選択できる。
絶縁層３は、図１及び図２に示すように、セラミック相３１と樹脂相３２の複合相からなり、絶縁層３断面では、多数堆積したセラミック粒子からなるセラミック相３１が、複数の独立したパターンで、且つ、セラミック相３１の一部が金属基材２及び回路層４に埋没した形態で形成され、セラミック相３１間の空隙に含浸された状態で形成された樹脂相３２からなる。
セラミック相３１には、熱伝導率が高い絶縁性材料、例えば、酸化アルミニウム、酸化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ボロン、ダイヤモンド、炭化珪素を使用できる。
セラミック相３１の形成方法には、図３（ａ）に示す金属基材２表面に対し、図３（ｂ）に示すように、セラミック相の一部が金属基材２へ埋没する形態で形成できる方法が好ましく、例えば、セラミック粒子を原料としたエアロゾルデポジション法やコールドスプレー法に代表される粒子衝突成膜法を用いることが好ましい。一例であるエアロゾルデポジション法とは、固体状態のセラミックス微粉末を常温で基板に吹き付けることにより、加熱することなく機械的な衝撃力だけで、緻密かつ高透明、高強度、高密着力のセラミックス被膜を形成する成膜法であり、コールドスプレー法とは、材料粉末を高温・高速の流れにして物の表面に吹き付けて堆積・コーティングを行なう成膜法である。
パターン間に溝を有する複数の独立したパターンでセラミック相３１を形成する上では、あらかじめ金属基材２表面の溝を形成する部分にマスクパターンを配置し、上記成膜方法でセラミック粒子を衝突させる方法が好ましい。成膜後、樹脂相３２形成前にマスクパターンを除去する。
樹脂相３２には、要求される耐電圧と応力緩和機能を満足すれば、材料に特に制限はなく、例えば、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂を使用することができる。また、無機フィラー等の異相物を添加しても良い。
樹脂相３２の形成方法には、図３（ｃ）に示すように、セラミック相３１間の空隙に含浸できれば、形成手法には特に制限はなく、グラビアコート、ディスペンサ塗布、転写法、スプレー塗布などの塗布方式が使用できる。ここで、セラミック相３１間の空隙とは、セラミック粒子の間の空隙と、セラミックパターンの間の溝との両方が含まれる。
絶縁層３の厚さに制約はないが、１μｍから１００μｍとすることが好適である。絶縁層３の厚さが１μｍ以上となるので、絶縁層３の外力に対する機械的強度と耐電圧が十分に確保され、絶縁層２の厚さが１００μｍ以下となるので、絶縁層３の熱抵抗が十分小さくなる。また、樹脂層３２の高さは、セラミック相３１の高さよりも低いほうが、セラミック相と回路層が接する面積が大きくなるので、熱伝導性の観点から望ましい。
回路層４とは、回路の配線となる金属の層である。回路層４には、熱伝導率が高い導電性材料、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金を使用できる。
回路層４の形成方法には、図３（ｄ）に示すように、回路層４に絶縁層３の一部（特にセラミック相３１）を埋没させることができる形成方法の使用が好ましく、例えば、金属箔の真空プレスや、金属粒子を原料としたエアロゾルデポジション法やコールドスプレー法に代表される粒子衝突成膜法を用いることが好ましい。
粒子衝突成膜法では、下地となる材料が、成膜する材料よりも柔らかくなくてはならない。本実施例では、下地層として樹脂相３２が存在することで、回路層４を形成するための金属粒子は樹脂相３２に衝突して層を形成する。樹脂相３２がセラミック相３１より下に存在することで、回路層４がセラミック相３１の上端より下の高さから形成され始めるので、セラミック相３１が回路相４に埋没されるように成膜される。このように上記形成方法で回路層を形成すると、図１（ｂ）に示すように、セラミック相と樹脂相の一部が回路層に埋没した構造となり、アンカー効果により絶縁層と回路層の接合部は高い接合強度を有する。
本実施例に係る絶縁性熱伝導体によれば、金属基材２と回路層４の接合は、大部分がセラミック相３１のみを介した接合構造のため、優れた熱伝導性を有し、加えて、絶縁層３を構成するセラミック相３１において、熱応力の緩和を目的とする傾斜組成層を複数設ける必要がないため、絶縁層３の厚さを薄くでき、絶縁層３の熱抵抗を低減できる。
また、絶縁層３を構成するセラミック相３１の一部が金属基材２及び回路層４に埋没しているため、アンカー効果により絶縁層３と金属基材２及び回路層４の接合部は高い接合強度を有する。
さらに、絶縁層３断面では、多数堆積したセラミック粒子からなるセラミック相３１が複数の独立したパターンで存在し、加えて、セラミック相３１間に介在する樹脂相３２が絶縁層３の応力緩和を促すので、温度サイクルなどの熱変形作用を受けても、各セラミック相３１にかかる熱応力は小さく、絶縁層３全体でみても熱応力が局所的に集中することがない。従って、絶縁層３のクラックや剥がれが抑制され、熱変形作用に対する優れた安定性を有する。
また製造コストの観点では、絶縁性熱伝導構造に要する、はんだ等の接合部材や絶縁層部材の一部を削減できるので、製造工程の簡素化、材料コストの削減が可能となる。
次に、本発明による第２の実施形態について、図４と図５を参照して詳細に説明する。尚、説明する第２の実施形態の基本的な構成は、第１の実施形態と同様である。従って、図４と図５については、図１(ｂ)を参照した上で、図１（ｂ）と同一の構成要素には同一符号を示し、構成要素の説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態の相違点は、絶縁層３と回路層４の接合部の形状である。図４に示すように、絶縁層中の樹脂相の体積が小さいために絶縁層のセラミック相間に溝が形成されており、上記の溝を有する絶縁層３上に回路層４を形成すると、回路層４が溝部分に埋没した構造となり、優れたアンカー効果により絶縁層と回路層の接合部は高い接合強度を有する。
次に、上記第２の実施形態の絶縁性熱伝導構造の製造方法について説明する。まず、図５（ａ）に示すような金属基材２表面のセラミック相３１を作成するまでは、第１の実施形態と同じである。そして、セラミック相３１とセラミック相３１間の金属基材２の表面全体に、樹脂を薄く塗布する〔図５（ｂ）〕。このときの樹脂の塗布量は第１の実施例に比べて少ないので、溝は樹脂相３２で埋まらず、後の工程で溝内に回路層４が形成される。
次に、セラミック相３１上面の樹脂相３２を研磨等により除去することで絶縁層３形成を完了する〔図５（ｃ）〕。
そして、絶縁層３上に回路層４を形成する〔図５（ｄ）〕。回路層４は、第１の実施例と同様に、金属箔の真空プレスや粒子衝突成膜法で形成することができる。回路層４は、樹脂相３２にアンカー効果により高い接合強度で接合され、また、セラミック相３１が回路層４に埋没することにより、高い接合強度を高い熱伝導性を有する。
本発明に係る構造物は、絶縁性熱伝導構造を要する製品全般、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ダイオード等のモジュールに利用可能であり、特にパワー半導体モジュールに好適である。
１ 絶縁性熱伝導体
２ 金属基材
３ 絶縁層
３１ セラミック相
３２ 樹脂相
４ 回路層
２ 金属基材
３ 絶縁層
３１ セラミック相
３２ 樹脂相
４ 回路層
Claims (12)
- 金属基材と、
前記金属基材上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成された金属層とを備えた絶縁性熱伝導構造において、
前記絶縁層は、セラミック相と、樹脂相とを備え、
前記セラミック相は、溝により隔てられた複数のパターンに分かれて形成され、
当該溝の中に前記樹脂相が形成されたことを特徴とする絶縁性熱伝導構造。 - 請求項１において、
前記セラミック相は、粒子衝突成膜法により形成されたことを特徴とする絶縁性熱伝導構造。 - 請求項１において、
前記セラミック相のセラミックは粒子状であり、当該粒子の一部が前記金属基板及び前記金属層に埋没していることを特徴とする絶縁性熱伝導構造。 - 請求項１において、
前記セラミック相は、前記溝の外側で前記金属層に直接接続されていることを特徴とする絶縁性熱伝導構造。 - 請求項１において、
前記金属層は、粒子衝突成膜法または金属箔プレス法により形成されたことを特徴とする絶縁性熱伝導構造。 - 請求項１において、
前記金属層の最下部は、前記セラミック相の最上部よりも下にあることを特徴とする絶縁性熱伝導構造。 - 金属基材上に、粒子衝突成膜法によりセラミック相を形成する工程と、
前記セラミック相の間に樹脂相を形成する工程と、
前記セラミック相及び樹脂相上に金属層を形成する工程とを含み、
前記セラミック相は、溝により隔てられた複数のパターンに分かれて形成され、
当該溝の中に前記樹脂相が形成されることを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。 - 請求項７において、
前記セラミック相のセラミックは粒子状であり、当該粒子の一部が、前記金属基板及び前記金属層に埋没していることを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。 - 請求項７において、
前記セラミック相は、マスクパターンを用いて形成されることにより、当該セラミック
ス中に前記溝を有することを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。 - 請求項７において、
前記樹脂相を形成する工程後、前記金属層を形成する工程前に、
前記セラミック相上であり前記溝の外側にある樹脂相を除去する工程を含むことを特徴
とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。 - 請求項７において、
前記金属層は、粒子衝突成膜法または金属箔プレス法により形成されることを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。 - 請求項７において、
前記金属層の最下部は、前記セラミック相の最上部よりも下にあることを特徴とする絶縁性熱伝導構造の製造方法。
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