JP5556278B2 - 絶縁放熱基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は各種電子機器に使用される絶縁放熱基板およびその製造方法に関するものである。

以下、従来の絶縁放熱基板の製造方法について図面を用いて説明する。図１０は従来の絶縁放熱基板１の斜視図であり、金属板２の上に設けた絶縁層３の表面に配置した導体パターン４を覆っている半田流れ等を防止するためのレジスト５を部分的に除去し、はんだ接合などを可能とする導体露出部６を形成したものである。ここで、例えば導体露出部６を形成するには、まず第１のステップとして、導体露出部６を形成する前の状態である図１１の斜視図に示す導体パターン４を完全に覆うレジスト５を有した絶縁放熱基板１に対して、レジスト５を除去したい部分に対応した孔７を有するマスク８を重ね、次に第２のステップとして、マスク８の孔７へエッチング液等の溶剤を流し込むことにより、孔７の形状に対応した図１０に示すような導体露出部６に対応する部分のレジスト５を剥離させ、その後に第３のステップとして図１１に示すように、マスク８を絶縁放熱基板１に重ねた状態あるいはそれぞれを分離した状態として洗浄を行うことで不要な溶剤を除去するものであり、これらの複数の段階の工程を組み合わせることで対応するものであった。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては例えば特許文献１や特許文献２が知られている。

特開平９−１８１４３号公報 特開平７−１７１６８９号公報

しかしながら、従来の絶縁放熱基板の製造方法では図１１に示すように、レジスト５を剥離するためには溶剤を使用するため、マスク８の孔７における溶剤の量の厳密な規定は困難であり、そのため１箇所の剥離部位においても、その剥離した領域全般にわたって剥離を行う深さについて安定性や均一性を欠くこととなり、後の実装でのはんだによる接合を行った際の信頼性を欠く可能性が生じることや、また特に接合する電極等が非常に小さな寸法となるようなデバイスを実装するためのランドの確保として導体露出部６を形成する際など、微小領域のレジスト５の剥離については寸法精度の維持が非常に困難であるという課題点があった。また、生産過程においても基板の洗浄、乾燥、レジスト印刷、硬化、マスキング、エッチング、水洗浄、湯洗浄、乾燥など複雑で多くの工程を要し、生産性を低下させる課題点もあった。

そこで本発明は、簡単な工程で安価でかつ信頼性の高い接合部の形成を可能とすることを目的とするものである。

この目的を達成するために、所定の導体パターン形状に打抜いて形成され、上面側をレジストで覆われたリードフレームと、前記レジスト面を露出させて前記リードフレームが配置あるいは埋設された絶縁樹脂層と、前記リードフレームの上面の一部に設けられ、前記レジストをレーザ光によって剥離して形成された剥離部と、を備え、前記剥離部の底面には、前記レーザ光によって形成され、前記レジストの表面に比べて大きな凹凸を有する凹凸部が形成されたことを特徴としたものである。

本発明によれば、簡単な工程で信頼性の高い接合部の形成を可能とするものである。

本発明の第１の実施形態における絶縁放熱基板の斜視図 本発明の第１の実施形態における絶縁放熱基板の第１の部分断面図 本発明の第１の実施形態における絶縁放熱基板の第１の部分上面図 本発明の第１の実施形態における絶縁放熱基板の表面の状態図 本発明の第１の実施形態における絶縁放熱基板の第２の部分断面図 本発明の第１の実施形態における絶縁放熱基板の第３の部分断面図 本発明の第１の実施形態における絶縁放熱基板の第２の部分上面図 本発明の第２の実施形態における絶縁放熱基板の製造方法の部分斜視図 本発明の第２の実施形態における絶縁放熱基板の第１の部分上面図 従来の絶縁放熱基板の第１の斜視図 従来の絶縁放熱基板の第２の斜視図

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態における絶縁放熱基板の斜視図である。所定の導体パターン９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを打抜いて形成したリードフレーム９に対して、その上面側をレジスト１０で覆ったものとしている。そしてレジスト１０を上面に露出させて、リードフレーム９の下面側を絶縁樹脂層１１の上面側に配置あるいは貼り付けている。ここでは金属放熱板１２を絶縁樹脂層１１の下面側に接触させて配置しているが、金属放熱板１２については必要に応じて配置し、適用すればよい。

ここで、リードフレーム９の上面の一部にはレジスト１０を剥離した剥離部１３を形成している。そして、図２の絶縁放熱基板の第１の部分断面図に示すように、この剥離部１３にはその底面に凹凸部１４を形成したうえで、この剥離部１３にはんだ溶接部１５を形成し、ここに被接続物（図示せず）であるところの電子部品の接続端子などを接続するものである。

この構成によれば、剥離部１３はレジスト１０が存在せずに、リードフレーム９を構成する導体であるところの例えば銅や銅合金そのものが露出した状態であり、当然ながらはんだ等の接合時の濡れ性については非常に良好なものとなる。そして、リードフレーム９とはんだ溶接部１５とが接合することとなる面積が凹凸部１４によって大きく得ることができ、この結果としてアンカー効果によりリードフレーム９とはんだ溶接部１５との固着性やその信頼性を向上させると同時に、接合部の電気的抵抗を小さく抑えることを可能とするものである。

また、図３の絶縁放熱基板の第１の部分上面図に示すように、剥離部１３の底面に設けた凹凸部１４は凹部１６の中に凸部１７を孤立して不連続な状態として形成しても構わない。これにより、図２に示す凹凸部１４によって得られるリードフレーム９とはんだ溶接部１５とが接合することとなる面積をより大きくすることができ、固着性やその信頼性をさらに向上させることが可能である。

またさらに、図３に示すように凹凸部１４は規則的に格子状の配置とすることが望ましい。これにより、凹凸部１４によって得られるアンカー効果は剥離部１３の全面において概ね均等に生じることとなるため、固着性も平均化されることとなる。つまり、応力が一部に偏ることで機械的な劣化などが集中することにより信頼性を損ねるという事態を回避することも可能となる。

ここで凹凸部１４の断面については、凹部１６の幅を大きく、凸部１７の幅を小さくした形状の図２に示したものを一例として挙げているが、これとは反対に凹部１６の幅を小さく、凸部１７の幅を大きくしたものとしても構わない。これらについては、凹凸部１４を形成する際に例えばレーザ光の照射によるものであれば、そのレーザ光照射領域のエネルギー分布に応じて選択するものとしてもよい。

そして、レーザ光によって凹凸部１４を形成した際の断面の実測値は図４の絶縁放熱基板の表面の状態図のように、レジスト表面を基準とした天面側の凹凸の値はレジスト形成領域では凹凸が小さく、レジストの剥離側領域では凹凸が大きくなっていることが明らかとなっている。ここではレジストを酸化膜の非常に薄いもの（概ね２μｍ程度）とし、レジストの剥離側領域では凹凸は酸化膜に比較して大きな値となっている。この例では非常に小さな値のレジストおよびその剥離部分の深さに関するものを示しているが、これまでに述べた効果についてはその値が小さなものに限らず、ｍｍ単位のものであっても構わない。

以上の説明では絶縁樹脂層１１の上面にリードフレーム９を貼り付けるように配置した形態で、レジスト１０は絶縁樹脂層１１およびリードフレーム９の双方を覆ったものに対して、リードフレーム９の一部に剥離部１３を設けたものについて示している。一方で、特に厚みが大きく、必ず打抜きによる形成が要求されるリードフレーム９を適用し、図５の絶縁放熱基板の第２の部分断面図に示すように、リードフレーム９を絶縁樹脂層１１の上面側に埋設し、リードフレーム９の上面側のみを絶縁樹脂層１１から露出した配置とすることが望ましい。

これによって、はんだ溶接部１５を介して発熱部品（図示せず）から受けることとなる熱をリードフレーム９の下面のみならず厚みを有する側面からも絶縁樹脂層１１へ伝えることができるため、放熱の効率の向上が可能となる。また、当然ながらリードフレーム９と絶縁樹脂層１１との固着性を向上させることも可能である。そしてさらに、剥離部１３の外側にはレジスト１０と絶縁樹脂層１１とが存在することとなるため、はんだ溶接部１５の形成時等に仮にその量が不適当な場合であっても、はんだ流れを阻止する領域が二重に、且つ、位置関係として隣接して連続とし、材質として異なるものが不連続に存在することとなり、実装の安定性に対して有効となるものである。特に、レジスト１０を、イミド系樹脂を適用せずに、リードフレーム９の銅表面に予め形成した酸化膜や、あるいは酸化膜とその上に付着させた離型剤などのシリコン化合物やフッ素化合物を残した状態のものを適用する場合は、リードフレーム９と共に酸化膜等からなるレジスト１０を絶縁樹脂層１１へ埋設する際、酸化膜等からなるレジスト１０はリードフレーム９の表面のみの必要最低限の領域を確保できると同時に非常に薄いもので厚みに凹凸が生じにくいものであることから、上記の効果である流れの阻止と、レジスト１０の上面側と絶縁樹脂層１１の上面側とを同一平面にして段差が生じない状態とすることが容易となり、デバイス（図示せず）の実装に関しても安定した実装性を容易に確保することができる。

ここで、リードフレーム９の表面に酸化膜からなるレジスト１０を形成するには、例えば、未酸化の状態かあるいは常温放置で生じた酸化膜を有するリードフレーム９を、最初に、絶縁樹脂層１１へ埋め込み、次にリードフレーム９を埋め込んだ絶縁樹脂層１１を加熱して硬化させるとともに、その加熱によりリードフレーム９が露出した部分のみを酸化させることで酸化膜を形成しても構わない。このリードフレーム９を絶縁樹脂層１１へ埋め込む際には絶縁樹脂層１１から露出させるリードフレーム９の上面と絶縁樹脂層１１の上面とをほぼ同一面として行い、その状態で露出した部分を酸化させている。したがって、リードフレーム９の上面の露出した部分の酸化膜は露出していない部分に比較して厚みの大きな酸化膜となり、十分にはんだに対するバリアとしての機能を有することとなるものである。これに加えて、リードフレーム９の上面の露出した部分の酸化膜と、絶縁樹脂層１１の上面との間に厳密には段差が生じるものの、樹脂によりレジスト１０を形成した場合に比較すると非常に小さな値のものであり、ほぼ同一の平面とみなすことができ、デバイス（図示せず）の実装性に影響を与えるものではない。また、先述の離型剤については、リードフレーム９を絶縁樹脂層１１に埋め込む際には成型用の金型内で行う場合が多く、その場合は絶縁樹脂層１１と金型とが剥がれ易くさせるための一つの目的として離型剤を塗布する。そして、成型後に金型から取り出した時、酸化膜の上には離型剤であるシリコン化合物やフッ素化合物等を付着させていることとなり、この離型剤もまたその離型性故に接合工程においては更なるはんだに対するバリアとしての機能を有することとなる。また同時に、はんだ接合の前工程において離型剤の洗浄などによる除去も不要とするものである。

上記の説明では、はんだ流れを阻止する領域として、レジスト１０と絶縁樹脂層１１を二重に存在させることとしたが、図６の絶縁放熱基板の第３の部分断面図に示すように剥離部１３と絶縁樹脂層１１とが隣接した状態とした位置関係としても構わない。ここで、剥離部１３と接する絶縁樹脂層１１の側面部にあたる絶縁樹脂層側面部１８は絶縁樹脂層１１の上面側から下面側の方向にほぼ垂直に切り立った状態としていることで、はんだ溶接部１５の形成時等にその流れを阻止する壁として機能することとなるためレジスト機能を有する層は介在させなくてもよい。これにより図７の絶縁放熱基板の第２の部分上面図に示すように、剥離部１３をリードフレーム９の上に絶縁樹脂層１１から隔離した位置ではなく、リードフレーム９と絶縁樹脂層１１との境界部１９に接して形成することも可能となり、剥離部１３の配置に関する自由度が大きくなることから、絶縁放熱基板全体の小型化を可能とするものでもある。

これは同時に、図６に示すようにリードフレーム９における剥離部１３の側面部にあたる剥離側面部２０もまた、リードフレーム９の上面側から下面側の方向にほぼ垂直に切り立った状態としている。これにより、例えば剥離部１３の幅寸法Ｗが小さな値のものであっても、凹凸部１４を幅寸法Ｗ全面に渡って効率的に形成させることとなり、その結果、はんだ溶接部１５の固着性を向上させることが可能となる。当然ながら、狭い領域によって大きな固着強度を得ることができることから、これもまた絶縁放熱基板全体の小型化を可能とするものである。

（第２の実施形態）
次に、これまでに説明した剥離部１３の形成方法について説明する。図８は絶縁放熱基板の製造方法に関する部分斜視図である。絶縁樹脂層１１を金属放熱板１２の上に形成し、この絶縁樹脂層１１の上面に導体によって任意のパターンに形成された導体であるリードフレーム９を埋め込むことによってなる絶縁放熱基板において、少なくともリードフレーム９の表面を覆うレジスト１０に対して、所定の波長を有するレーザ光２１をレーザ光照射口２２から照射することにより、レジスト１０を除去した剥離部１３を形成するものである。

これにより、剥離部１３ではリードフレーム９の導体部分が露出することではんだなどの濡れ性が良好となり、後に剥離部１３ではんだなどによる接合を行うことにより電子部品（図示せず）などを実装することが容易にできる。そしてその際のはんだは、剥離部１３にのみとどまり、レジスト１０の存在する領域へ流出することにはならない点はいうまでもない。また、レーザ光２１の照射については、その照射位置に関して非常に厳密な設定が可能であることから、小さな面積の剥離部１３から大きな面積の剥離部１３まで、その面積の大小に関係なく厳密な寸法の設定が可能となる。さらに、離型剤をレジスト１０としての機能を持たせる場合には、はんだ接合の前工程において離型剤の洗浄などによる除去も不要とするものである。

ここで照射を行うレーザ光２１は、材料により固有である反応を起こし易い波長や、剥離部１３の要求する深さに応じて出力を決定すると同時に照射径などを設定するが、ここでは特にレジスト１０として銅合金からなるリードフレーム９の表面に形成した酸化銅を除去することを第１の目的として一例とするため、この酸化銅の除去に適した定数を設定するものである。このとき、レーザ光２１の照射によりリードフレーム９は非常に高温の熱を有することとなるが、リードフレーム９はその一部を露出した状態で絶縁樹脂層１１に密着したうえで埋設されて絶縁放熱基板として適用されるものであるため、リードフレーム９に生じた熱は直ちに絶縁樹脂層１１に伝達して放熱が行われることとなる。よって、リードフレーム９自身の熱による変形は生じ難く安定した形状を保つこともでき、電子部品（図示せず）などの実装も安定した状態で行うことができることとなる。また、リードフレーム９は上記のように埋設を行うことが可能な厚み（概ね０．２ｍｍ以上）を有する水準、すなわち打抜きによってリードフレーム９を所定のパターンに形成する程度の厚みを有するものが望ましい。

次に、レーザ光２１の照射方法で特にその軌跡について図９の絶縁放熱基板の第１の部分上面図を用いて説明する。絶縁樹脂層１１に埋設し、レジスト１０により表面を覆ったリードフレーム９に対して、レーザの被照射部において特定の幅ＬＷを有した帯状の剥離帯Ａ１〜Ｃ２を個々に形成することによって、所定の面積を有した剥離部１３を形成している。

例えばここでは第１段階として、剥離帯Ａ１（実線）をレーザ照射により形成する。そして、第２段階として剥離帯Ｂ１（破線）を同様にレーザ照射により形成する。このとき、剥離帯Ａ１（実線）と剥離帯Ｂ１（破線）とは隙間を形成せず部分的に重複する状態でレーザ照射を行う。以下、同様にして剥離帯Ｃ１（一点鎖線）、剥離帯Ａ２（実線）、剥離帯Ｂ２（破線）、剥離帯Ｃ２（一点鎖線）の順にレーザ照射を行うことで、最終的に剥離部１３を形成している。

またここで、剥離帯の中央近辺と両端近辺とを比較すると、中央近辺の方が照射エネルギーが大きくなることから、例えば同じ剥離帯Ａ１（実線）においてもレジスト１０を除去する深さは帯の中央近辺では深く、両端近辺では浅い状態のものとなる。これは当然ながら剥離帯Ａ１〜Ｃ２の全てで起こるため、Ｘ−Ｘ’の断面では図６に示すように剥離部１３の断面は凹凸形状を有することとなる。そして図９に示す剥離帯Ａ１〜Ｃ２は全て同一の照射パワー、被照射幅および照射時間としているため、図６に示す剥離部１３の幅Ｗ方向における全域で、単位面積における剥離深さは概ね同一であり、幅Ｗ方向での両端部近辺のｕ領域や中央部近辺のｖ領域が浅くなる、あるいは深くなるという形状とはならない。

以上の剥離部１３の形成方法により、後にはんだ溶接部１５を形成した際には、凹凸部１４が存在することで接合面積が大きくなり、結果として接合強度を大きくすることができるものである。また、幅Ｗ方向における全域で、単位面積における剥離深さは概ね同一となることからはんだ溶接部１５の強度分布もばらつきが小さくなり、はんだ溶接部１５の信頼性を向上させることが可能である。

また、ここで形成した図９に示す剥離帯Ａ１〜Ｃ２を横方向として定義した場合、縦方向にも縦剥離帯（図示せず）を追加するようにレーザ照射を行っても構わない。このとき、剥離部１３では剥離帯Ａ１〜Ｃ２によってその全面でレジスト１０の除去を終えているため、縦剥離帯は重複した軌跡ではなく所定の間隔を有したうえで複数を並列させることでよい。

これにより、剥離部１３の上面図は図３に示すように凸部１７が格子状に配列した形態となることで、剥離部１３の表面積が一層大きくなり、結果として接合強度を一層大きくすることができるものである。

ここでは、図９に示す剥離帯Ａ１〜Ｃ２や、縦剥離帯（図示せず）に関しては直線状の連続した帯状のものとして説明したが、連続してレーザ照射することによる帯状の軌跡ではなく、円形や楕円形の照射を断続的に行うことでくびれを有した帯状の剥離帯Ａ１〜Ｃ２や、縦剥離帯（図示せず）を形成したものとしても構わない。この場合、剥離部１３での剥離した部位の凹凸形状は、連続的にレーザ照射を行ったものに比較して複雑なものとなることで、凹凸形状による表面積の増分は大きなものとなる。従って、図６に示す凹凸部１４の増加に伴うはんだ溶接部１５の信頼性を、より一層に向上させることを可能とするものである。

またレーザ照射において、そのパワーの値は可変であるため、一定の速度で照射スポットを移動させると共に所定のパワー値を変化させることで所定の間隔でパワーの大きいところで剥離の度合いを大きくした状態とすることが可能となる。当然ながらパワー値と移動速度によって様々な幅や深さの凹凸を有した剥離帯の形成が可能であり、照射スポットの移動速度を遅くして剥離帯と他の剥離帯との間隔を狭ピッチにして照射スポットを重ね合わせれば深い凹凸の剥離帯を形成することとなり、速くすれば剥離帯と他の剥離帯との間隔は広ピッチで浅い凹凸の剥離帯を形成することが可能である。

また、図７に示すようにレジスト１０と絶縁樹脂層１１とは反応し易いレーザ波長が異なるため、境界部１９のリードフレーム９側と絶縁樹脂層１１側とでレーザ波長を変化させることや、境界部１９にきっちりと沿うようにレーザ照射を行う必要は無く、境界部１９のリードフレーム９側と絶縁樹脂層１１側とをまたぐように、双方を同時にあるいは連続してレーザ照射をすることで照射の工程に適用して構わない。これにより、図６に示すように絶縁樹脂層１１側の絶縁樹脂層側面部１８に接する剥離部１３と剥離側面部２０側の剥離部１３とにおいて剥離の深さをほぼ同一の状態に一致させることができ、また、レーザ照射による形成を行っているため絶縁樹脂層側面部１８および剥離側面部２０は概ね垂直に切り立った形で形成することができる。

これらのことから、はんだ溶接部１５の強度分布もばらつきが小さくなり、はんだ溶接部１５の信頼性を向上させることを可能とするものである。

本発明の絶縁放熱基板は、信頼性の高い接合部の形成を可能とする効果を有し、絶縁放熱基板を各種電子機器に適用するにあたって有用である。

９ リードフレーム
９ａ 導体パターン
９ｂ 導体パターン
９ｃ 導体パターン
９ｄ 導体パターン
１０ レジスト
１１ 絶縁樹脂層
１２ 金属放熱板
１３ 剥離部
１４ 凹凸部
１５ はんだ溶接部
１６ 凹部
１７ 凸部
１８ 絶縁樹脂層側面部
１９ 境界部
２０ 剥離側面部

Claims (10)

1. 所定の導体パターン形状に打抜いて形成され、上面側をレジストで覆われたリードフレームと、
   前記レジスト面を露出させて前記リードフレームが配置あるいは埋設された絶縁樹脂層と、
   前記リードフレームの上面の一部に設けられ、前記レジストをレーザ光によって剥離して形成された剥離部と、を備え、
   前記剥離部の底面には、前記レーザ光によって形成され、前記レジストの表面に比べて大きな凹凸を有する凹凸部が形成された絶縁放熱基板。
2. 前記レジストは酸化膜によって形成された請求項１に記載の絶縁放熱基板。
3. 前記レジストは、前記酸化膜を覆うシリコン化合物もしくはフッ素化合物を含む請求項２に記載の絶縁放熱基板。
4. 前記凹凸部は格子状に配列された請求項１記載の絶縁放熱基板。
5. 前記剥離部は前記リードフレームと前記絶縁樹脂層との境界部に接して形成された請求項１記載の絶縁放熱基板。
6. 前記リードフレームの厚みは０．２ｍｍ以上とした請求項１記載の絶縁放熱基板。
7. 前記絶縁樹脂層は熱硬化性樹脂であり、
   少なくとも前記リードフレームにおいて絶縁樹脂層から露出した部分には、酸化膜を有し、
   絶縁樹脂層から露出した部分の前記酸化膜は、前記リードフレームにおいて前記絶縁樹脂層で覆われている部分に比べて厚い請求項１記載の絶縁放熱基板。
8. 熱硬化した絶縁樹脂層の上に、上面側を覆ったレジストが露出するように、配置されたリードフレームと、前記リードフレームの上面の一部に形成された剥離部とを有した絶縁放熱基板の製造方法において、
   所定の導体パターン形状となるように前記リードフレームを打抜いて形成する工程と、
   前記リードフレームの上面の一部に剥離部を形成する工程とが設けられ、
   前記剥離部を設ける工程では、前記リードフレームへレーザ光を照射することによって、前記レジストを剥離して前記剥離部を形成するとともに、前記剥離部の底面に前記レジストの表面に比べて大きな凹凸を有した凹凸部を形成する絶縁放熱基板の製造方法。
9. 前記剥離部を設ける工程は、前記レーザの照射により、直線状に複数の縦方向剥離溝を形成する第１の剥離工程と、
   直線状に複数の横方向剥離溝を形成する第２の剥離工程とからなる請求項８記載の絶縁放熱基板の製造方法。
10. 打抜いて形成された前記リードフレームを、前記絶縁樹脂層へ埋め込む工程と、
    前記絶縁樹脂層を加熱・硬化するとともに、前記リードフレームが前記絶縁樹脂層から露出した部分を酸化させて前記レジストを形成する工程と、を有した請求項８記載の絶縁放熱基板の製造方法。

Images