JP7087446B2 - 放熱板付絶縁回路基板、及び、放熱板付絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents
放熱板付絶縁回路基板、及び、放熱板付絶縁回路基板の製造方法 Download PDFInfo
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Description
この発明は、金属材料又は金属含有複合材料からなる放熱板と、セラミックス層と前記セラミックス層の一方の面に形成された回路層とを有する絶縁回路基板と、を備えた放熱板付絶縁回路基板、及び、放熱板付絶縁回路基板の製造方法に関するものである。
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素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
上述の絶縁回路基板として、例えば特許文献１に記載された金属ベース回路基板が提案されている。
上述の絶縁回路基板として、例えば特許文献１に記載された金属ベース回路基板が提案されている。
特許文献１に記載された金属ベース回路基板においては、金属基板上に絶縁樹脂層が形成され、この絶縁樹脂層上に回路パターンを有する回路層が形成されている。ここで、絶縁樹脂層は、熱硬化型樹脂であるエポキシ樹脂で構成されており、回路層は、銅箔で構成されている。
この金属ベース回路基板においては、回路層上に半導体素子が接合され、金属基板の絶縁樹脂層とは反対側の面に放熱板が配設されており、半導体素子で発生した熱を放熱板側に伝達して放熱する構造とされている。
この金属ベース回路基板においては、回路層上に半導体素子が接合され、金属基板の絶縁樹脂層とは反対側の面に放熱板が配設されており、半導体素子で発生した熱を放熱板側に伝達して放熱する構造とされている。
また、上述の絶縁回路基板として、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたものが提案されている。
例えば、特許文献２には、回路層に搭載した素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、セラミックス基板の前記回路層とは反対側の面に金属層を設けるとともに、この金属層にはんだ材を介して接合された放熱板（放熱ベース）を備えた構造のものが提案されている。
さらに、特許文献３には、回路層が形成されたセラミックス基板と放熱板を、接着剤を介して接合した絶縁回路基板が開示されている。
例えば、特許文献２には、回路層に搭載した素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、セラミックス基板の前記回路層とは反対側の面に金属層を設けるとともに、この金属層にはんだ材を介して接合された放熱板（放熱ベース）を備えた構造のものが提案されている。
さらに、特許文献３には、回路層が形成されたセラミックス基板と放熱板を、接着剤を介して接合した絶縁回路基板が開示されている。
ところで、特許文献１に記載された絶縁回路基板（金属ベース回路基板）においては、絶縁層が樹脂で構成されていることから、絶縁性が不十分となり、絶縁回路基板としての耐電圧性が確保できないおそれがあった。特に、高電圧が負荷される用途においては、耐電圧性に不安があり、適用することが困難であった。
一方、特許文献２に示すように、絶縁層をセラミックス基板で構成した絶縁回路基板に放熱板をはんだ材を介して接合した場合には、放熱板とセラミックス基板との熱膨張係数との差によって生じる熱応力がはんだ層に作用し、はんだ層の端部から亀裂が進展するおそれがあった。
なお、特許文献３においては、セラミックス基板と放熱板との界面の接着剤層で熱膨張係数の差による熱歪を吸収することによって反りの低減を図っているが、接着剤層が熱抵抗となるため、放熱特性が低下してしまうおそれがあった。また、接着剤層にはボイドが生じやすく、このボイドが起点となって絶縁破壊が起こり、耐電圧性が低下するといった問題があった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、耐電圧性及び放熱特性に優れるとともに、放熱板と絶縁回路基板との接合信頼性に優れた放熱板付絶縁回路基板、及び、この放熱板付絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するために、本発明の放熱板付絶縁回路基板は、金属材料又は金属含有複合材料からなる放熱板を備え、この放熱板の一面に絶縁樹脂層が形成されており、前記絶縁樹脂層の上に、セラミックス層と前記セラミックス層の一方の面に形成された回路層とを有する絶縁回路基板が、前記セラミックス層のうち前記回路層とは反対側の面が前記絶縁樹脂層を向くように積層されており、前記絶縁樹脂層は、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成されており、前記絶縁樹脂層単体での耐電圧特性が１０ｋＶ／ｍｍｔ以上とされ、絶縁破壊電圧が７．５ｋＶ以上とされてい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、放熱板の一面に形成された絶縁樹脂層の上に、絶縁回路基板が積層配置されており、この絶縁樹脂層が無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で形成されているので、この絶縁樹脂層における熱伝導性を確保することができ、放熱特性を向上させることができる。
また、絶縁樹脂層によって、放熱板と絶縁回路基板との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができ、放熱板と絶縁回路基板との接合信頼性を向上させることができる。
さらに、放熱板と回路層との間に、セラミックス層と絶縁樹脂層とが存在しているので、絶縁性に優れており、高電圧を負荷した場合であっても、耐電圧性が確保され、信頼性に優れている。
また、絶縁樹脂層によって、放熱板と絶縁回路基板との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができ、放熱板と絶縁回路基板との接合信頼性を向上させることができる。
さらに、放熱板と回路層との間に、セラミックス層と絶縁樹脂層とが存在しているので、絶縁性に優れており、高電圧を負荷した場合であっても、耐電圧性が確保され、信頼性に優れている。
ここで、本発明の放熱板付絶縁回路基板においては、前記絶縁回路基板は、前記セラミックス層の前記回路層とは反対側の面に金属層が形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス層の他方の面（回路層とは反対側の面）に金属層が形成されているので、絶縁回路基板における反りの発生を抑制することができる。また、この金属層を介して熱を放熱板側へと効率的に伝達させることができる。
この場合、セラミックス層の他方の面（回路層とは反対側の面）に金属層が形成されているので、絶縁回路基板における反りの発生を抑制することができる。また、この金属層を介して熱を放熱板側へと効率的に伝達させることができる。
また、本発明の放熱板付絶縁回路基板においては、前記絶縁樹脂層の厚さが２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記絶縁樹脂層の厚さが２０μｍ以上とされているので、熱応力を確実に緩和することができ、確実に接合信頼性を向上させることができる。一方、前記絶縁樹脂層の厚さが２５０μｍ以下とされているので、厚さ方向の熱抵抗が高くなることを抑制できる。
この場合、前記絶縁樹脂層の厚さが２０μｍ以上とされているので、熱応力を確実に緩和することができ、確実に接合信頼性を向上させることができる。一方、前記絶縁樹脂層の厚さが２５０μｍ以下とされているので、厚さ方向の熱抵抗が高くなることを抑制できる。
また、本発明の放熱板付絶縁回路基板においては、前記セラミックス層の厚さが０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス層の厚さが０．２ｍｍ以上とされているので、絶縁性を確保することができる。一方、前記セラミックス層の厚さが１．５ｍｍ以下とされているので、厚さ方向の熱抵抗が高くなることを抑制できる。
この場合、前記セラミックス層の厚さが０．２ｍｍ以上とされているので、絶縁性を確保することができる。一方、前記セラミックス層の厚さが１．５ｍｍ以下とされているので、厚さ方向の熱抵抗が高くなることを抑制できる。
さらに、本発明の放熱板付絶縁回路基板においては、前記絶縁樹脂層の上に、前記絶縁回路基板とは別に、他の回路部材が配設されていてもよい。
この場合、一つの放熱板の上に、絶縁回路基板と他の回路部材を配設することが可能となる。これにより、高電圧が負荷される領域には、セラミックス層を含む絶縁回路基板を配置し、高電圧が負荷されない領域には、絶縁樹脂層に直接回路部材を積層することで、様々な回路パターンを形成することができる。
この場合、一つの放熱板の上に、絶縁回路基板と他の回路部材を配設することが可能となる。これにより、高電圧が負荷される領域には、セラミックス層を含む絶縁回路基板を配置し、高電圧が負荷されない領域には、絶縁樹脂層に直接回路部材を積層することで、様々な回路パターンを形成することができる。
本発明の放熱板付絶縁回路基板の製造方法は、上述の放熱板付絶縁回路基板の製造方法であって、前記放熱板の一面に、無機フィラー及び熱硬化型樹脂を含有する樹脂組成物を介して前記絶縁回路基板を積層する積層工程と、積層された前記放熱板、前記樹脂組成物、前記絶縁回路基板を、積層方向に加圧するととともに加熱し、前記樹脂組成物を硬化させて、前記絶縁樹脂層を形成するとともに、前記放熱板と前記絶縁回路基板とを接合する樹脂硬化工程と、を備えていることを特徴としている。
この構成の放熱板付絶縁回路基板の製造方法によれば、前記放熱板の一面に、無機フィラー及び熱硬化型樹脂を含有する樹脂組成物を介して前記絶縁回路基板を積層し、これを積層方向に加圧するととともに加熱することにより、樹脂組成物を硬化させて、前記絶縁樹脂層を形成するとともに、前記放熱板と前記絶縁回路基板とを接合することができる。
よって、耐電圧性及び放熱性に優れるとともに、接合信頼性に優れた放熱板付絶縁回路基板を製造することが可能となる。
よって、耐電圧性及び放熱性に優れるとともに、接合信頼性に優れた放熱板付絶縁回路基板を製造することが可能となる。
ここで、本発明の放熱板付絶縁回路基板の製造方法においては、前記樹脂硬化工程では、硬化前の前記樹脂組成物の厚さｔ０と硬化後の前記絶縁樹脂層の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が０．８以下となるように、積層方向へ加圧することが好ましい。
この場合、樹脂組成物を硬化させる際に十分に加圧することにより、樹脂組成物の厚さ中心まで確実に硬化させることができ、絶縁性に優れた絶縁樹脂層を得ることができる。
この場合、樹脂組成物を硬化させる際に十分に加圧することにより、樹脂組成物の厚さ中心まで確実に硬化させることができ、絶縁性に優れた絶縁樹脂層を得ることができる。
本発明によれば、耐電圧性及び放熱特性に優れるとともに、放熱板と絶縁回路基板との接合信頼性に優れた放熱板付絶縁回路基板、及び、この放熱板付絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態である放熱板付絶縁回路基板３０、及び、この放熱板付絶縁回路基板３０を用いたパワーモジュール１を示す。
図１に、本発明の実施形態である放熱板付絶縁回路基板３０、及び、この放熱板付絶縁回路基板３０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、放熱板付絶縁回路基板３０と、この放熱板付絶縁回路基板３０の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
はんだ層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。
半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。
放熱板付絶縁回路基板３０は、絶縁回路基板１０と、絶縁回路基板１０に接合された放熱板３１と、を備えている。
絶縁回路基板１０は、セラミックス層１１と、このセラミックス層１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス層１１の他方の面に配設された金属層１３と、を備えている。
絶縁回路基板１０は、セラミックス層１１と、このセラミックス層１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス層１１の他方の面に配設された金属層１３と、を備えている。
セラミックス層１１は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス層１１は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。
ここで、セラミックス層１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
ここで、セラミックス層１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス層１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。
なお、回路層１２となる銅板２２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
なお、回路層１２となる銅板２２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
金属層１３は、図３に示すように、セラミックス層１１の他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３を構成する銅板２３として、無酸素銅の圧延板が用いられている。
なお、金属層１３となる銅板２３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
なお、金属層１３となる銅板２３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
放熱板３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。放熱板３１は、熱伝導性が良好な金属材料（銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等）や、金属含有複合材料（ＡｌＳｉＣ等）で構成されている。本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。また、放熱板３１の厚さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
そして、この放熱板３１においては、放熱板３１の一面に絶縁樹脂層３５が形成されており、この絶縁樹脂層３５の上に、絶縁回路基板１０が積層されている。
そして、この絶縁樹脂層３５は、無機フィラーを含有する絶縁性の熱硬化型樹脂で構成されている。
そして、この絶縁樹脂層３５は、無機フィラーを含有する絶縁性の熱硬化型樹脂で構成されている。
この絶縁樹脂層３５が含有する無機フィラーとしては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド等を用いることができる。本実施形態では、絶縁樹脂層３５は、無機フィラーとしてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含有するエポキシ樹脂で構成されている。
ここで、絶縁樹脂層３５においては、無機フィラーの含有量は、絶縁樹脂層３５の体積を１００としたときに５０ｖｏｌ％以上８５ｖｏｌ％以下の範囲内とすることが好ましい。
また、本実施形態においては、絶縁樹脂層３５の厚さは、２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、この絶縁樹脂層３５単体での耐電圧特性は、１０ｋＶ／ｍｍｔ以上とされている。
また、絶縁樹脂層３５単体での熱伝導率は、３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の範囲内とすることが好ましい。
また、本実施形態においては、絶縁樹脂層３５の厚さは、２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、この絶縁樹脂層３５単体での耐電圧特性は、１０ｋＶ／ｍｍｔ以上とされている。
また、絶縁樹脂層３５単体での熱伝導率は、３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の範囲内とすることが好ましい。
以下に、本実施形態である放熱板付絶縁回路基板３０の製造方法について、図２及び図３を用いて説明する。
（銅板接合工程Ｓ０１）
まず、図３で示すように、セラミックス層１１となるセラミックス板２１の一方の面（図３において上面）に回路層１２となる銅板２２を、かつ、セラミックス板２１の他方の面（図３において下面）に金属層１３となる銅板２３を、いわゆる活性金属ろう付け法によって接合した。
本実施形態では、Ａｇ－２７．４質量％Ｃｕ－２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材２６を用いた。
まず、図３で示すように、セラミックス層１１となるセラミックス板２１の一方の面（図３において上面）に回路層１２となる銅板２２を、かつ、セラミックス板２１の他方の面（図３において下面）に金属層１３となる銅板２３を、いわゆる活性金属ろう付け法によって接合した。
本実施形態では、Ａｇ－２７．４質量％Ｃｕ－２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材２６を用いた。
そして、積層方向に加圧（例えば、０．１～３．５ＭＰａ）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、銅板２２とセラミックス板２１を接合して回路層１２を形成する。また、セラミックス板２１と銅板２３を接合して金属層１３を形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は１５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
以上のようにして、上述の絶縁回路基板１０が製造される。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は１５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
以上のようにして、上述の絶縁回路基板１０が製造される。
（積層工程Ｓ０２）
次に、放熱板３１の一面（図３において上面）に、フィラーとしてのアルミナと熱硬化型樹脂としてのエポキシ樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物４５を介して、絶縁回路基板１０を積層する。なお、本実施形態では、樹脂組成物４５は、シート状に形成されている。
ここで、フィラーの含有量は、樹脂組成物４５の体積を１００としたときに５０ｖｏｌ％以上８５ｖｏｌ％以下の範囲内とすることが好ましい。また、硬化剤は、エポキシ樹脂の重量を１００としたときに０．５質量％以上４０質量％以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、放熱板３１の一面（図３において上面）に、フィラーとしてのアルミナと熱硬化型樹脂としてのエポキシ樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物４５を介して、絶縁回路基板１０を積層する。なお、本実施形態では、樹脂組成物４５は、シート状に形成されている。
ここで、フィラーの含有量は、樹脂組成物４５の体積を１００としたときに５０ｖｏｌ％以上８５ｖｏｌ％以下の範囲内とすることが好ましい。また、硬化剤は、エポキシ樹脂の重量を１００としたときに０．５質量％以上４０質量％以下の範囲内とすることが好ましい。
（樹脂硬化工程Ｓ０３）
次に、放熱板３１と樹脂組成物４５と絶縁回路基板１０とを積層方向に加圧するとともに加熱して、樹脂組成物４５を硬化させて絶縁樹脂層３５を形成するとともに、絶縁回路基板１０（金属層１３）と絶縁樹脂層３５とが接着され、絶縁樹脂層３５と放熱板３１とが接着される。
本実施形態では、図３に示すように、押圧板５１、５１を介して、放熱板３１と樹脂組成物４５と絶縁回路基板１０とを積層方向に加圧する構成とされている。
次に、放熱板３１と樹脂組成物４５と絶縁回路基板１０とを積層方向に加圧するとともに加熱して、樹脂組成物４５を硬化させて絶縁樹脂層３５を形成するとともに、絶縁回路基板１０（金属層１３）と絶縁樹脂層３５とが接着され、絶縁樹脂層３５と放熱板３１とが接着される。
本実施形態では、図３に示すように、押圧板５１、５１を介して、放熱板３１と樹脂組成物４５と絶縁回路基板１０とを積層方向に加圧する構成とされている。
また、この樹脂硬化工程Ｓ０３においては、加熱温度が１２０℃以上１８０℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が１０分以上６０分以下の範囲内とされている。また、積層方向の加圧荷重が１．０ＭＰａ以上５．０ＭＰａ以下の範囲内とされている。
ここで、この樹脂硬化工程Ｓ０３においては、硬化前の樹脂組成物４５の厚さｔ０と硬化後の絶縁樹脂層３５の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が０．８以下となるように、放熱板３１と樹脂組成物４５と絶縁回路基板１０とを積層方向に加圧することが好ましい。
上述した各工程によって、本実施形態である放熱板付絶縁回路基板３０が製造される。
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、絶縁回路基板１０の回路層１２に半導体素子３を接合する。本実施形態では、回路層１２と半導体素子３とを、はんだ材を介して接合している。
以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製造される。
次に、絶縁回路基板１０の回路層１２に半導体素子３を接合する。本実施形態では、回路層１２と半導体素子３とを、はんだ材を介して接合している。
以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態である放熱板付絶縁回路基板３０によれば、放熱板３１の一方の面に形成された絶縁樹脂層３５の上に、絶縁回路基板１０が積層配置されており、この絶縁樹脂層３５が無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で形成されているので、この絶縁樹脂層３５における熱伝導性を確保することができ、放熱特性を向上させることができる。
また、絶縁樹脂層３５によって、放熱板３１と絶縁回路基板１０との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができ、放熱板３１と絶縁回路基板１０との接合信頼性を向上させることができる。
さらに、放熱板３１と回路層１２との間に、セラミックス層１１と絶縁樹脂層３５とが存在しているので、絶縁性に優れており、高電圧を負荷した場合であっても、耐電圧性が確保され、信頼性に優れている。
さらに、放熱板３１と回路層１２との間に、セラミックス層１１と絶縁樹脂層３５とが存在しているので、絶縁性に優れており、高電圧を負荷した場合であっても、耐電圧性が確保され、信頼性に優れている。
また、本実施形態においては、セラミックス層１１の回路層１２とは反対側の面に金属層１３が形成されているので、絶縁回路基板１０における反りの発生を抑制することができる。また、この金属層１３を介して熱を放熱板３１側へと効率良く伝達させることができる。
さらに、本実施形態においては、放熱板３１と絶縁回路基板１０との間に介在する絶縁樹脂層３５の厚さが２０μｍ以上とされているので、熱応力を確実に緩和することができ、確実に接合信頼性を向上させることができる。一方、絶縁樹脂層３５の厚さが２５０μｍ以下とされているので、厚さ方向の熱抵抗が高くなることを抑制でき、放熱特性に優れている。
また、本実施形態においては、絶縁回路基板１０におけるセラミックス層１１の厚さが０．２ｍｍ以上とされているので、絶縁性を確保することができる。
一方、絶縁回路基板１０におけるセラミックス層１１の厚さが１．５ｍｍ以下とされているので、厚さ方向の熱抵抗が高くなることを抑制でき、放熱特性に優れている。
一方、絶縁回路基板１０におけるセラミックス層１１の厚さが１．５ｍｍ以下とされているので、厚さ方向の熱抵抗が高くなることを抑制でき、放熱特性に優れている。
さらに、本実施形態である放熱板付絶縁回路基板３０の製造方法によれば、放熱板３１の一面（図３において上面）に、フィラー（本実施形態ではアルミナ）と熱硬化型樹脂（本実施形態ではエポキシ樹脂）と硬化剤とを含有する樹脂組成物４５を介して、絶縁回路基板１０を積層する積層工程Ｓ０２と、放熱板３１と樹脂組成物４５と絶縁回路基板１０とを積層方向に加圧するとともに加熱して、樹脂組成物４５を硬化させて絶縁樹脂層３５を形成するとともに、放熱板３１と絶縁回路基板１０（金属層１３）とを接合する樹脂硬化工程Ｓ０３と、を備えているので、放熱板３１の一面に形成された絶縁樹脂層３５の上に、絶縁回路基板１０が積層配置された放熱板付絶縁回路基板３０を製造することができる。
また、本実施形態においては、樹脂硬化工程Ｓ０３において、硬化前の樹脂組成物４５の厚さｔ０と硬化後の絶縁樹脂層３５の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が０．８以下となるように、積層方向へ加圧する構成とされているので、樹脂組成物４５を硬化させる際に十分に加圧することができ、樹脂組成物４５の厚さ中心まで確実に硬化させることができ、絶縁性に優れた絶縁樹脂層３５を得ることができる。
以上、本発明の実施形態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、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
また、本実施形態においては、回路層及び金属層を、銅又は銅合金からなるものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成してもよいし、回路層及び金属層を、アルミニウム層と銅層とが積層された構造としてもよい。さらに、回路層と金属層とを異なる材質、構造としてもよい。
さらに、上記実施形態では、金属層を設けるものとして説明したが、金属層をもうけなくてもよい。この場合、セラミックス層と絶縁樹脂層が接着される。
さらに、上記実施形態では、金属層を設けるものとして説明したが、金属層をもうけなくてもよい。この場合、セラミックス層と絶縁樹脂層が接着される。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
本発明例においては、表１に示す放熱板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）、樹脂組成物、絶縁回路基板（回路層／セラミックス板／金属層）を準備し、これらを積層した。そして、表２に示す条件で、積層方向に加圧して加熱し、樹脂組成物を硬化させて絶縁樹脂層を形成するとともに、放熱板と絶縁回路基板とを接合した。
なお、従来例１においては放熱板と絶縁回路基板とを、Ｓｎ－０．７Ｃｕはんだを介して接合した。
また、従来例２においては放熱板と絶縁回路基板とを、エポキシ系接着剤（フィラー無し）を用いて接着した。
なお、従来例１においては放熱板と絶縁回路基板とを、Ｓｎ－０．７Ｃｕはんだを介して接合した。
また、従来例２においては放熱板と絶縁回路基板とを、エポキシ系接着剤（フィラー無し）を用いて接着した。
そして、得られた放熱板付絶縁回路基板の初期接合率、ヒートサイクル後の接合率、積層方向の熱抵抗、耐電圧性を、以下のように評価した。評価結果を表２に示す。
（ヒートサイクル試験）
上述の放熱板付絶縁回路基板に対して、ヒートサイクル試験を実施した。
ヒートサイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ－５１を使用し、試験片（放熱板付絶縁回路基板）に対して、液相（フロリナート）で、－４０℃×５分←→１５０℃×５分のヒートサイクルを４０００回実施した。
そして、ヒートサイクル試験前の放熱板と絶縁回路基板との接合率（初期接合率）、及び、ヒートサイクル試験後の放熱板と絶縁回路基板との接合率（ヒートサイクル後の接合率）を、以下のようにして評価した。
上述の放熱板付絶縁回路基板に対して、ヒートサイクル試験を実施した。
ヒートサイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ－５１を使用し、試験片（放熱板付絶縁回路基板）に対して、液相（フロリナート）で、－４０℃×５分←→１５０℃×５分のヒートサイクルを４０００回実施した。
そして、ヒートサイクル試験前の放熱板と絶縁回路基板との接合率（初期接合率）、及び、ヒートサイクル試験後の放熱板と絶縁回路基板との接合率（ヒートサイクル後の接合率）を、以下のようにして評価した。
放熱板と絶縁回路基板との接合部の接合率は、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち金属層の面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
接合率（％）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
接合率（％）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
（熱抵抗の測定）
半導体素子としてヒータチップを回路層の表面に半田付けし、放熱板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
半導体素子としてヒータチップを回路層の表面に半田付けし、放熱板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
（耐電圧性）
放熱板付絶縁回路基板を絶縁油（３Ｍ社製フロリナートＦＣ－７７０）に浸漬し、金属基板及び回路層にプローブ（真鍮製φ２０ｍｍ）の電極を配設した。そして、５秒間で０．５ｋＶ昇圧し、その後、３０秒保持するサイクルを繰り返し、絶縁破壊を起こす電圧（絶縁破壊電圧）（ｋＶ）とした。評価結果を表２に示す。
放熱板付絶縁回路基板を絶縁油（３Ｍ社製フロリナートＦＣ－７７０）に浸漬し、金属基板及び回路層にプローブ（真鍮製φ２０ｍｍ）の電極を配設した。そして、５秒間で０．５ｋＶ昇圧し、その後、３０秒保持するサイクルを繰り返し、絶縁破壊を起こす電圧（絶縁破壊電圧）（ｋＶ）とした。評価結果を表２に示す。
絶縁樹脂層を形成しなかった比較例１においては、放熱板と絶縁回路基板との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができず、ヒートサイクル後の接合率が６２％と大きく低下した。
エポキシ系接着剤を用いた比較例２においては、熱抵抗が０．６１Ｋ／Ｗと高く、放熱特性が不十分であった。
エポキシ系接着剤を用いた比較例２においては、熱抵抗が０．６１Ｋ／Ｗと高く、放熱特性が不十分であった。
これに対して、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成された絶縁樹脂層を形成した本発明例１～１５においては、放熱板と絶縁回路基板との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができ、ヒートサイクル後の接合率の低下を抑制することができた。また、熱抵抗が比較的低く、放熱特性に優れていることが確認された。さらに、絶縁破壊電圧も比較的高く、耐電圧性に優れていた。
以上のことから、本発明例によれば、耐電圧性及び放熱特性に優れるとともに、放熱板と絶縁回路基板との接合信頼性に優れた放熱板付絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。
１ パワーモジュール
３ 半導体素子
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス層
１２ 回路層
１３ 金属層
３ 半導体素子
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス層
１２ 回路層
１３ 金属層
Claims (7)
- 金属材料又は金属含有複合材料からなる放熱板を備え、この放熱板の一面に絶縁樹脂層が形成されており、
前記絶縁樹脂層の上に、セラミックス層と前記セラミックス層の一方の面に形成された回路層とを有する絶縁回路基板が、前記セラミックス層のうち前記回路層とは反対側の面が前記絶縁樹脂層を向くように積層されており、
前記絶縁樹脂層は、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成されており、
前記絶縁樹脂層単体での耐電圧特性が１０ｋＶ／ｍｍｔ以上とされ、
絶縁破壊電圧が７．５ｋＶ以上とされていることを特徴とする放熱板付絶縁回路基板。 - 前記絶縁回路基板は、前記セラミックス層の前記回路層とは反対側の面に金属層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱板付絶縁回路基板。
- 前記絶縁樹脂層の厚さが２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放熱板付絶縁回路基板。
- 前記セラミックス層の厚さが０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の放熱板付絶縁回路基板。
- 前記絶縁樹脂層の上に、前記絶縁回路基板とは別に、回路部材が配設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放熱板付絶縁回路基板。
- 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の放熱板付絶縁回路基板の製造方法であって、
前記放熱板の一面に、無機フィラー及び熱硬化型樹脂を含有する樹脂組成物を介して前記絶縁回路基板を積層する積層工程と、
積層された前記放熱板、前記樹脂組成物、前記絶縁回路基板を、積層方向に加圧するととともに加熱し、前記樹脂組成物を硬化させて、前記絶縁樹脂層を形成するとともに、前記放熱板と前記絶縁樹脂層と前記絶縁回路基板とを接合する樹脂硬化工程と、
を備えていることを特徴とする放熱板付絶縁回路基板の製造方法。 - 前記樹脂硬化工程では、硬化前の前記樹脂組成物の厚さｔ０と硬化後の前記絶縁樹脂層の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が０．８以下となるように、積層方向へ加圧することを特徴とする請求項６に記載の放熱板付絶縁回路基板の製造方法。
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