JP7287455B2 - 絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2019年3月26日に日本に出願された特願2019-057990号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
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。
そして、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、絶縁樹脂層の上に配設された銅箔をエッチング処理することによって回路パターンを形成している。
また、最近では、小型化及び軽量化の観点から、回路パターン間の距離が小さくなる傾向にあり、寸法精度良く回路パターンを形成することができないと、回路パターン間の絶縁性が不十分となるおそれがあった。
絶縁層を熱硬化型樹脂からなる絶縁樹脂層で構成した場合には、硬化前の樹脂組成物の上に金属片を配置し、金属片を積層方向に加圧するとともに加熱することにより、樹脂組成物を硬化させて絶縁樹脂層を構成するとともに絶縁樹脂層と金属片とが接合されることになる。ここで、回路層を厚肉化した場合、金属片が配置された領域においては、樹脂組成物が十分に加圧されることになるが、金属片が配置されていない領域においては、樹脂組成物の加圧が不十分となり、絶縁樹脂層の内部にボイドが多く生成し、絶縁樹脂層の絶縁性が確保できないおそれがあった。このため、絶縁樹脂層を用いた絶縁回路基板においては、厚肉の回路層を精度良く形成することは困難であった。
また、エッチング処理を行うことなく、回路パターンを形成することができ、回路層の端部形状が精度良く形成されることになり、回路層の接合界面の端部における電界集中を抑制することが可能となる。
そして、本実施形態においては、加圧及び加熱工程では、金属片側に、ゴム状弾性体を配置して加圧する構成としているので、樹脂組成物の全体を十分に押圧することができ、絶縁樹脂層内のボイドを十分に低減することが可能となる。これにより、絶縁樹脂層の絶縁性を確保することができる。
図1に、本発明の実施形態である絶縁回路基板10、及び、この絶縁回路基板10を用いたパワーモジュール1を示す。
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。
ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム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11は、フィラーとしてアルミナを含有するエポキシ樹脂で構成されている。また、絶縁樹脂層11の厚さは、20μm以上250μm以下の範囲内とされている。
また、本実施形態においては、金属片22が配設された領域A2のボイド率B2と回路パターン状に配設された金属片22の間に位置する領域A1のボイド率B1との比B2/B1が、0.5以上1.5以下の範囲内とされており、回路パターン状に配設された金属片22の間に位置する領域A1のボイド率B1と金属片22が配設された領域A2のボイド率B2との差が小さく、絶縁樹脂層11の全体で比較的均一なボイド率となっている。
ここで、回路層12(金属片22)の厚さtは0.5mm以上とされている。なお、回路層12(金属片22)の厚さtは1.0mm以上であることが好ましく、1.5mm以上であることがさらに好ましい。また、回路層12(金属片22)の厚さtの上限は特に制限はないが、現実的には、3.0mm以下となる。
本実施形態では、具体的には、回路パターン状に配設された金属片22同士の最近接距離Lは、1.0mm以上1.5mm以下の範囲内に設定されている。
なお、この角度θの下限は、80°以上であることがさらに好ましく、85°以上であることがより好ましい。一方、角度θの上限は、100°以下であることがさらに好ましく、95°以下であることがより好ましい。
ここで、絶縁回路基板10の放熱層13とヒートシンク31とは、はんだ層32を介して接合されている。
まず、回路層12となる金属片22を形成する。金属板24(本実施形態では無酸素銅の圧延板)を打ち抜き加工して、金属片22を形成する。本実施形態では、図5に示すように、打ち抜き加工機51の凸型52及び凹型53によって金属板24を挟持して剪断する。これにより、金属片22を金属板24から打ち抜く。
次に、図6に示すように、放熱層13となる金属板23の一方の面(図6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21を配設する。
次に、樹脂組成物21の一方の面(図6において上面)に、複数の金属片22を回路パターン状に配置する。
次に、放熱層13となる金属板23と樹脂組成物21と金属片22とを積層方向に加圧するとともに加熱することにより、樹脂組成物21を硬化させて絶縁樹脂層11を形成するとともに、金属板23と絶縁樹脂層11、絶縁樹脂層11と金属片22とを接合して、放熱層13及び回路層12を形成する。
ここで、加熱温度の下限は150℃以上とすることが好ましく、170℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は250℃以下とすることが好ましく、200℃以下とすることがさらに好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は30分以上とすることが好ましく、60分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は120分以下とすることが好ましく、90分以下とすることがさらに好ましい。
積層方向の加圧荷重の下限は5MPa以上とすることが好ましく、8MPa以上とすることがさらに好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は15MPa以下とすることが好ましく、10MPa以下とすることがさらに好ましい。
次に、この絶縁回路基板10の放熱層13の他方の面にヒートシンク31を接合する。本実施形態では、放熱層13とヒートシンク31とを、はんだ材を介して接合している。
そして、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。
また、金属片22を回路パターン状に配設しているので、回路層12(金属片22)の端部形状が精度良く形成されることになり、回路層12(金属片22)の接合界面の端部における電界集中を抑制でき、耐電圧性を向上させることが可能となる。
また、本実施形態では、金属片22が配設された領域A2のボイド率B2と回路パターン状に配設された金属片22の間に位置する領域A1のボイド率B1との比B2/B1が、0.5以上1.5以下の範囲内とされており、回路パターン状に配設された金属片22の間に位置する領域A1のボイド率B1と金属片22が配設された領域A2のボイド率B2との差が小さく、絶縁樹脂層11の全体で比較的均一なボイド率となっているので、絶縁樹脂層11の全体が均一に加圧されて絶縁樹脂層11が形成されており、絶縁樹脂層11における絶縁性を十分に確保することができる。
さらに、本実施形態においては、絶縁樹脂層11の回路層12とは反対側の面に放熱層13が形成されているので、この放熱層13によって、回路層12に搭載された半導体素子3からの熱を効率良く放熱することが可能となる。
また、エッチング処理を行うことなく、回路パターンを形成することができ、回路層12の端部形状が精度良く形成されることになり、回路層12の接合界面の端部における電界集中を抑制することが可能となる。
さらに、ヒートシンクの材質や構造は、本実施形態に限定されることなく、適宜設計変更してもよい。
本発明例1~10、及び、比較例4,5においては、樹脂組成物の一方の面に表1に示す金属片(20mm×20mm)をパターン状に配置した。このとき、金属片同士の最近接距離が表1に示す値となるように金属片を配置した。なお、形成したい回路形状に対応するような穴が開いているガイド治具を用いて、そのガイド治具の穴に金属回路片をはめ込むことで精度よく配置できるようにした。
比較例1~3,6においては、樹脂組成物の一方の面に表1に示す金属板(50mm×60mm)を配置した。
このとき、本発明例1~10、及び、比較例5においては、金属片側に、シリコンゴムからなるゴム状弾性体(厚さ4.0mm)を配置して積層方向に加圧した。また、比較例4においては、ゴム状弾性体を使用せずに加圧した。
また、比較例1~3,6においては、回路層となる金属板に対してエッチング処理を行い、最近接距離が表1に示す値となるように回路パターンを形成した。
なお、キーエンスの画像寸法測定器を使用し、撮影した画像から個片間の距離を読み取って最近接距離を測定した。
回路層の断面をクロスセクションポリッシャ(日本電子株式会社製SM-09010)を用いて、イオン加速電圧:5kV、加工時間:14時間、遮蔽板からの突出量:100μmでイオンエッチングした後に、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて回路パターンの端部を観察した。そして、回路層(金属片)の端部と絶縁樹脂層の表面とがなす角度θを測定した。評価結果を表2に示す。
レーザー顕微鏡により断面観察を実施し、得られた断面写真(視野サイズ:150μm×100μm、視野数:各試料30視野)に対して、画像解析ソフト「Image J」を用いて、画像処理を実施することで、ボイド率を算出した。評価結果を表2に示す。
JESD51に準拠した熱過渡測定法によって、絶縁回路基板の熱抵抗を測定した。評価結果を表2に示す。
図7に示すように、放熱層をベース板61の上に載置し、回路層の上にプローブ62を接触させ、部分放電を評価した。測定装置として、三菱電線株式会社製の部分放電試験機を用いた。なお、試験雰囲気として、3M社製フロリナート(tm)FC-770中で実施した。
そして、電圧を0.5kVごとのステッププロファイル(保持時間60秒)で昇圧し、絶縁破壊が生じた電圧(漏れ電流が10mA以上となった電圧)を絶縁破壊電圧とした。評価結果を表2に示す。
また、本発明の規定を満足するとともに熱硬化型樹脂としてポリイミド樹脂を用いた本発明例10においては、熱硬化型樹脂としてポリイミド樹脂を用いた比較例6に比べて、熱抵抗が十分に低く、かつ、絶縁破壊電圧が高く、放熱性及び絶縁性に優れていた。
3 半導体素子
10 絶縁回路基板
11 絶縁樹脂層
12 回路層
13 放熱層
21 樹脂組成物
22 金属片
23 金属板
45 ゴム状弾性体
Claims (1)
- 絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の一方の面に回路パターン状に配設された金属片からなる回路層と、を備え、前記回路層を構成する前記金属片の厚さtが0.5mm以上とされ、回路パターン状に配設された前記金属片の厚さtと、前記金属片同士の最近接距離Lとの比L/tが2.0以下とされており、前記絶縁樹脂層は、熱硬化型樹脂で構成されており、回路パターン状に配設された前記金属片の間に位置する領域のボイド率が0.8%以下とされており、前記金属片の端部と前記絶縁樹脂層の表面とがなす角度θが70°以上110°以下の範囲内とされた絶縁回路基板を製造する方法であって、
前記絶縁樹脂層の前記回路層とは反対側の面に放熱層が形成されており、
前記回路層となる前記金属片を形成する金属片形成工程と、
前記放熱層となる金属板の一方の面に、樹脂組成物を配設する樹脂組成物配設工程と、
前記樹脂組成物の一方の面に複数の前記金属片を回路パターン状に配置する金属片配置工程と、
前記金属板と前記樹脂組成物と前記金属片とを積層方向に加圧するとともに加熱する加圧及び加熱工程とを有し、
前記加圧及び加熱工程では、前記金属片側にゴム状弾性体を配置して加圧し、前記樹脂組成物を硬化させて絶縁樹脂層を形成し、前記金属板と前記絶縁樹脂層、前記絶縁樹脂層と前記金属片とを接合して、放熱層及び回路層を形成することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
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