JP7289374B2 - 半導体用放熱基板およびその製造方法 - Google Patents

半導体用放熱基板およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体素子実装用放熱基板、これを含む半導体モジュール、その製造方法に関する。より具体的には、本発明は、放熱板の機能と半導体素子実装用回路基板の機能を兼ねた放熱基板において、高電力半導体素子または高出力ＬＥＤなどの実装に適合するように厚い電極金属板を備えた放熱基板の製造方法およびそれによる構造的特徴に関する。
最近、電力産業分野では、太陽光発電や風力発電など新再生エネルギーの生成、貯蔵および活用に関する研究開発が活発に進められている。電気自動車のバッテリおよび電力系統をはじめとして多様な電気／電子機器の効率アップと安全性、そして省エネ問題についても活発な研究開発が進められている。それに用いられる核心部品は、パワーデバイスを活用したパワーモジュール、すなわち電力半導体モジュールである。照明分野においても自動車ヘッドライト、街灯、スマートファーム用植物生長などのように高い出力が必要な光源についても効率性と寿命に優れたＬＥＤ光源を適用する傾向にある。
これらのパワー系デバイスで使用される電流は数十～数百アンペア（Ａｍｐｅｒｅ）であり、また、電圧も数百～数千ボルト（Ｖｏｌｔ）で高電力（Ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ）であるため、パワーモジュールから発生する熱が多く、その熱によるデバイスの誤動作と信頼性に問題が発生することがある。このような不良を防止するために、電力半導体素子から発生した熱をどのように迅速に放出させるかが大きな問題になっている。高出力ＬＥＤ光源モジュールの場合も、放熱は装置の寿命と効率性を決めつける決定的な要素である。
従来の電力半導体用金属印刷回路基板の製造方法は、熱伝導度が高い金属基板と銅箔との間に絶縁層を挿入し、高温高圧で積層（Ｈｏｔ ｐｒｅｓｓ）した後に、一般的な印刷回路基板の製造工程を経て製造する。従来の技術で製造した金属印刷回路基板（Ｍｅｔａｌ ＰＣＢ）の熱伝導度は一般的に３～５Ｗ／ｍ．Ｋであり、十分な熱放出のために大きなヒートシンクを付着させなければならない。ここで、一般的な印刷回路基板の製造工程は、銅箔からなる層に回路電極パターンを形成するためにエッチングまたはメッキ工程を活用する。
ところが、高電力半導体用放熱基板に従来の金属印刷回路基板の製造方法を適用するには無理が伴う。高電力半導体の実装のために電極金属板の厚さを厚くする場合、エッチングやメッキ方式では対応しにくいからである。実際に、当該技術分野において電極金属板の厚さが０．３ｍｍ以上であれば、エッチングやメッキ方式では採算性を維持しにくいと判断されるのが現状である。それだけでなく、電極パターンの断面プロファイルが悪化して絶縁破壊が起こりやすいという問題点がある。
しかも、エッチングやメッキ工程は、有毒性化学物質や重金属物質の使用により環境汚染を誘発するという大きな問題がある。汚染物質の排出を最小化できる環境にやさしい製造方法とそれに適した放熱基板構造の開発が要求される。
大韓民国登録特許公報第１０－１３３６０８７号
本発明は、上記の問題点を解決するためのものであって、厚さ０．２ｍｍ以上の厚い電極金属板を有する半導体用放熱基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、厚い電極金属板を有して優れた放熱性能を達成することはもちろん、絶縁耐力が向上し、高い剥離強度（Ｐｅｅｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を有する構造を有する半導体用放熱基板を提供することを目的とする。
また、本発明による半導体用放熱基板の製造方法は、厚い電極金属板を効果的にパターニングし、優れた絶縁性能、高い剥離強度を提供可能な半導体用放熱基板を環境にやさしくかつ効率的に製造できる方法を提供することを目的とする。
上記の課題の解決のために、本発明の一実施形態による半導体用放熱基板は、パターンスペースによって半導体素子が実装される電極パターンが形成された電極金属層と、前記半導体素子から放出された熱を熱伝導によって拡散および発散する放熱体を構成する金属ベースと、電気的絶縁性を呈し、前記電極金属層と前記金属ベースとの間に配置された絶縁層と、前記金属ベースにおける前記絶縁層と接する面と前記電極金属層における前記絶縁層と接する面の少なくともいずれか一方に形成された溝と、前記溝内部が前記絶縁層と同一の素材で満たされた補強突起とを含み、前記パターンスペースは、前記電極金属層の表面から垂直に切削加工された部分を含んで構成される。
前記パターンスペースは、前記電極金属層の底面より深く、前記絶縁層の底面より浅い深さに切削加工されて前記絶縁層を露出させるように構成される。
前記パターンスペースは、等方性エッチングによって形成された部分をさらに含むことができる。
前記溝と前記補強突起は、断面がダブテール状であってもよい。
本発明の一実施形態による半導体用放熱基板の製造方法は、金属ベース上に形成された絶縁層または絶縁性のセラミックベース上に接合される電極金属層が電極パターンをなすようにパターンスペースを形成する半導体用放熱基板の製造方法において、前記電極金属層をその一面から前記電極金属層の厚さより浅い所定の深さに切削し、残余部を残して溝パターンを形成する切削ステップと、前記電極金属層が前記絶縁層または前記セラミックベースと接合された状態で、前記溝パターンに沿って残された前記残余部をエッチングして前記電極パターンを形成するエッチングステップと、を含み、前記エッチングステップは、前記残余部が前記電極金属層においてこの前記絶縁層または前記セラミックベースと接合される面の反対側に配置されるように接合された状態で、前記残余部をエッチングするように構成される。
本発明の一実施形態による半導体用放熱基板の製造方法は、金属ベース、絶縁層、および電極金属層が順に積層された形態で接合された多層放熱基板を形成する接合ステップと、予め設計された電極パターンの形態によって、前記電極金属層の表面から前記電極金属層の底面より浅い深さの溝を切削加工して、互いに隣接した電極パターンの間に所定厚さの残余部が残された溝パターンを形成する切削ステップと、前記残余部を完全にエッチングして前記絶縁層を露出させることにより、前記互いに隣接した電極パターンを電気的に絶縁させるエッチングステップと、を含み、前記接合ステップは、前記絶縁層を介して前記電極金属層と前記金属ベースとを接合しかつ、前記接合ステップの前に、前記電極金属層または前記金属ベースにおいて前記絶縁層と接する面に溝を形成した後、真空ホットプレス工程を進行させて、接合と同時に前記絶縁層と連結された補強突起を形成するように構成される。
前記溝および前記補強突起は、断面がダブテール状であってもよい。
本発明の一実施形態による半導体用放熱基板の製造方法は、予め設計された電極パターンの形態によって、電極金属層の表面から前記電極金属層の底面より浅い深さの溝を切削加工して、互いに隣接した電極パターンの間に所定厚さの残余部が残された溝パターンを形成する切削ステップと、金属ベース、絶縁層、および前記電極金属層を順に積層された形態で接合しかつ、前記電極金属層において平らな前記底面が前記絶縁層と接するようにする接合ステップと、前記残余部を完全にエッチングして前記絶縁層を露出させることにより、前記互いに隣接した電極パターンを電気的に絶縁させるエッチングステップと、を含み、前記接合ステップは、前記絶縁層を介して前記電極金属層と前記金属ベースとを接合しかつ、前記接合ステップの前に、前記電極金属層または前記金属ベースにおいて前記絶縁層と接する面に溝を形成した後、真空ホットプレス工程を進行させて、接合と同時に前記絶縁層と連結された補強突起を形成するように構成される。
前記溝および前記補強突起は、断面がダブテール状であってもよい。
本発明の一実施形態による半導体用放熱基板は、パターンスペースが間毎に形成されて、互いに電気的に絶縁された複数の電極パターンを有する電極金属板と、前記電極金属板の下に配置されて、前記電極金属板から伝導された熱を拡散させる金属ベースと、前記電極金属板と前記金属ベースとの間に形成された絶縁層と、前記パターンスペースと前記複数の電極パターンで構成された電極パターングループの外側の周辺部を埋め、前記複数の電極パターンの側面に直接接触してこれらを支持するように形成された絶縁材充填部と、を含んで構成される。
前記絶縁層および前記絶縁材充填部は、互いに同一の電気絶縁性樹脂からなり、一体に形成された絶縁部を構成することができる。
前記電極金属板と前記金属ベースとの間の前記絶縁層内に埋め込まれた絶縁性セラミックメッシュをさらに含むことができる。
前記金属ベースは、前記パターンスペースおよび前記周辺部の下の部分が前記複数の電極パターンの真下に位置した上面より低く切削された段差部をさらに含み、前記絶縁材充填部は、前記段差部の側面および底面と直接接触するように拡張される。
この時、前記複数の電極パターンの側面に凹んで形成された第１切欠（ｎｏｔｃｈ）部または前記金属ベースの段差部の側面に凹んで形成された第２切欠（ｎｏｔｃｈ）部をさらに含み、前記絶縁材充填部は、前記第１切欠（ｎｏｔｃｈ）部または前記第２切欠（ｎｏｔｃｈ）部を埋めるように形成される。
本発明の一実施形態による半導体用放熱基板の製造方法は、複数の電極パターンと、前記複数の電極パターンの間毎に形成されて、これらを電気的に絶縁させるパターンスペースと、前記複数の電極パターンで構成された電極パターングループの外側を取り囲む周辺部とを有する半導体用放熱基板の製造方法において、前記複数の電極パターンをなすこととなる電極金属板をその一面からその厚さより浅い所定の深さに切削し、残余部を残して前記パターンスペースおよび前記周辺部に対応する溝パターンを形成するステップと、前記溝パターンが形成された前記電極金属板の一面およびそれと対面する金属ベースの一面のうち少なくとも前記電極金属板側に前記溝パターンが絶縁材で充填されるように絶縁性樹脂を印刷し、前記電極金属板と前記金属ベースとを前記絶縁性樹脂を介して接合するステップと、前記残余部を除去して前記複数の電極パターンを互いに分離させるステップと、を含んで構成される。
前記残余部の除去時に、前記残余部を切削加工して除去することができる。
前記電極金属板と前記金属ベースとの接合時に、前記電極金属板の一面および前記金属ベースの一面それぞれに絶縁性樹脂を印刷し、これらの間に絶縁性セラミックメッシュを挿入したまま接合することができる。
本発明の一実施形態による半導体用放熱基板の製造方法は、金属ベース、絶縁層、および電極金属板が順に積層された多層基板を形成するステップと、前記多層基板を前記電極金属板側において前記金属ベースの上面より深い所定の深さに切削加工して、複数の電極パターンを定義するパターンスペースおよび前記複数の電極パターンで構成された電極パターングループの外側の周辺部に対応する溝パターンを形成するステップと、前記溝パターンを絶縁性樹脂で充填し、硬化させて絶縁材充填部を形成するステップと、を含んで構成される。
前記溝パターンの形成時に、前記複数の電極パターンの側面に凹んだ形状の第１切欠（ｎｏｔｃｈ）部または前記金属ベースの段差部の側面に凹んだ形状の第２切欠（ｎｏｔｃｈ）部を形成することができる。
本発明によれば、厚さ０．２ｍｍ以上の厚い電極金属板を有する半導体用放熱基板およびこれを効率的に生産できる製造方法が提供される。
本発明によれば、厚い電極金属板を有して優れた放熱性能を達成することはもちろん、絶縁耐力が向上し、高い剥離強度（Ｐｅｅｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を有する構造を有する半導体用放熱基板を提供することができる。
また、本発明によれば、厚い電極金属板を効果的にパターニングし、優れた絶縁性能、高い剥離強度を提供可能な半導体用放熱基板を効率的に製造できる半導体用放熱基板の製造方法が提供される。
さらに、本発明によれば、環境汚染を誘発するエッチングおよびメッキ工程を排除し、これを有毒性化合物、重金属化合物などの使用や排出のない機械加工工程に代替することにより、環境にやさしい工程で半導体用放熱基板を製造可能にする効果がある。
本発明の一実施例による電力半導体モジュールを示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板の電極パターニング工程を示す図。 本発明の一実施例として切削機械を用いた電極パターニング工程を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板が適用された電力半導体モジュールを示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す図。 前記図１３の半導体用放熱基板を製造する工程を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す図。 前記図１５の半導体用放熱基板を製造する工程を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す図。 前記図１７の半導体用放熱基板を製造する工程を示す図。 本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す図。
以下、図面を参照して本発明の多様な実施例を説明する。実施例により本発明の技術的思想がより明確に理解されるであろう。また、本発明は、以下に説明された実施例に限定されるものではなく、本発明の属する技術的思想の範囲内で多様な形態に変形可能である。一方、同一の図面符号は、本発明の観点から共通した特性を有する構成要素であることを示すものであって、一つの図面に関する説明で言及されたものと同一の図面符号を有する構成要素に関する説明は、他の図面に関する説明では省略可能である。本明細書において、上、下、上面、底面などの方向は、参照された図面に示された方向を基準とする。
図１は、本発明の一実施例による電力半導体モジュールを示す。
（ａ）にて、発明の一実施例による電力半導体モジュールＭは、半導体用放熱基板１０１と、電力半導体素子３０１とを含む。前記電力半導体素子３０１は、前記半導体用放熱基板１０１の上面の電極パターン３１上に実装され、ワイヤボンディング３０２により電気的に連結される。
（ｂ）は、前記（ａ）に表示されたＩ－Ｉ’断面を示す。前記半導体用放熱基板１０１は、図面の下から金属ベース１０と、絶縁層２０と、電極金属層３０とで構成される。前記金属ベース１０は、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属からなり、前記絶縁層２０は、電気絶縁性の合成樹脂、酸化物または窒化物を含んで構成される。前記絶縁層２０は、電気絶縁性以外にも、熱伝導性および耐熱性に優れた素材からなることが好ましく、粘着あるいは接着性を有して前記金属ベース１０と前記電極金属層３０とを接合させる役割を兼ねることもできる。電極金属層３０は、銅、銅－マンガン合金など、比抵抗が低く、熱伝導性に優れた金属からなってもよい。電極パターン３１は、前記電極金属層３０の一部分が底まで削除されて前記絶縁層２０を露出させるパターンスペース３２によって形成される。ここで、前記電極金属層３０の厚さは、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。
図２は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板の電極パターニング工程を示す。
（ａ）は、大量生産工程の例として、大面積の多層放熱基板Ｂの上面を構成する電極金属層３０に、それぞれの半導体モジュールに対応する回路パターンがアレイ状に多数配置されるように、固定深さ切削機械Ｅで前記電極金属層３０をパターニングする様子を示す。
（ｂ）は、固定深さ切削機械Ｅの構成を詳しく示す（具体的な構成に関する説明は大韓民国登録特許公報第１０－１３３６０８７号参照）。一定の深さｄを維持しながら切削することにより、パターンスペースをなす溝パターン３２Ｅを形成する。
図３は、本発明の一実施例として切削機械を用いた電極パターニング工程を示す。
本図面は、第１実施例による半導体用放熱基板Ｍ０の製造方法を示す。金属ベース１０、絶縁層２０、および電極金属層３０が下から順に積層された状態で、固定深さ切削機械Ｅを用いて前記電極金属層３０の厚さより深く絶縁層２０だけを露出させる深さのパターンスペース３２を形成する。
図４は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す。本図面は、第２実施例による半導体用放熱基板Ｍ１の製造方法を示す。
（ａ）図３の実施例と同様に、金属ベース１０、絶縁層２０、および電極金属層３０が下から順に積層された多層放熱基板１０１を形成し、電極金属層３０の上面に電極パターン形態のマスクパターン４１を形成する。
（ｂ）固定深さ切削機械Ｅを用いてマスクパターン４１が印刷されていない部分に、パターンスペースに対応する溝パターン３２Ｅを形成する。この時、前記溝パターン３２Ｅの底に０．０５ｍｍ～０．１ｍｍである厚さｔの残余部を残す。
（ｃ）エッチングにより前記溝パターンの底の残余部を除去して、絶縁層２０を露出させる。各モジュールに対応するように多層放熱基板１０１を切断すると、半導体用放熱基板Ｍ１が完成する。
図５は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す。本図面は、第３実施例による半導体用放熱基板Ｍ１の製造方法を示す。
（ａ）電極金属層３０の上面に、固定深さ切削機械Ｅを用いて溝パターン３２Ｅを形成する。この時、前記溝パターン３２Ｅの底に所定厚さｔの残余部３２０を残す。ここで、所定の厚さｔは、図４の実施例の通りである。前記とは別途に、金属ベース１０の上面に絶縁層２０が積層された基板を用意する。
（ｂ）前記（ａ）にて溝パターン３２Ｅが形成された電極金属層３０を、金属ベース１０の上面に絶縁層２０が積層された基板上に接合する。接合には、真空ホットプレス工法が適用可能である。熱伝導性に優れた接着剤を用いた接着も可能であり、前記絶縁層２０が接着層としての機能を有することもできる。
（ｃ）エッチングにより溝パターンの底の残余部３２０を除去して、絶縁層２０を露出させる。各モジュールに対応するように放熱基板を切断すると、半導体用放熱基板Ｍ１が完成する。
図６は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す。本図面は、第４実施例による半導体用放熱基板Ｍ２の製造方法を示す。
（ａ）前記図５の実施例と同様に、電極金属層３０に溝パターン３２Ｅを形成し、所定厚さｔの残余部３２１を残す。図５（ａ）と異なる点は、マスクパターン４２の反対側面を固定深さ切削機械Ｅで加工するという点である。同じくこれとは別途に、金属ベース１０の上面に絶縁層２０が積層された基板を用意する。
（ｂ）金属ベース１０と絶縁層２０とが積層された基板上に、前記（ａ）にて溝パターン３２Ｅが形成された電極金属層３０を接合する。この時、前記溝パターンが形成された面が絶縁層２０と接するようにし、マスクパターン４２と残余部３２１のある面が上面をなすようにする。
（ｃ）マスクパターン４２が形成された面から露出した残余部３２１をエッチングにより削除する。エッチングの代わりに、前記固定深さ切削機械Ｅを用いて前記残余部３２１を追加的に切削してもよい。この場合、前記固定深さ切削機械Ｅの切削深さは、前記残余部３２１の厚さｔより深く、前記パターンスペース３２の深さを超えないようにする。その結果、パターンスペース３２を介して絶縁層２０の露出した構造が形成される。各モジュールに対応するように多層放熱基板を切断すると、半導体用放熱基板Ｍ２が完成する。
図７は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す。本図面は、第５実施例による半導体用放熱基板Ｍ３の製造方法を示す。
（ａ）ヒートシンクとしてセラミックベース１１が適用される。セラミックベース１１上に電極金属層３０が接合された構造の多層放熱基板を備え、電極金属層３０の上面にマスクパターン４１を形成する。セラミックベース１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの素材からなってもよく、前記セラミックベース１１と電極金属層３０との接合には、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、ＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ）などのすでに商用化された技術が適用可能である。
固定深さ切削機械Ｅを用いて溝パターン３２Ｅを形成する時、所定深さｔの残余部３２０を残す。切削ツールが電極金属層３０を貫通してセラミックベース１１と直接接触しないようにマージンをおいたのである。
（ｂ）上面からのエッチングにより前記残余部３２０を除去し、パターンスペース３２を介してセラミックベース１１を露出させる。各モジュールに対応するように多層放熱基板を切断すると、半導体用放熱基板Ｍ３が完成する。
図８は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す。本図面は、第６実施例による半導体用放熱基板Ｍ３の製造方法を示す。
（ａ）前述した図５（ａ）と同様に、電極金属層３０の上面にマスクパターン４１が形成された状態で、固定深さ切削機械Ｅを用いて溝パターン３２Ｅを形成しかつ、前記溝パターン３２Ｅの底に所定厚さｔの残余部３２０を残す。これとは別途に、セラミックベース１１を用意する。セラミックベース１１の素材については、前記図７の実施例で説明した通りである。
（ｂ）前記（ａ）にて底に残余部３２０が残るように溝パターン３２Ｅが形成された電極金属層３０を前記残余部３２０側がセラミックベース１１に接するようにして互いに接合する。接合には同じく、前述したＤＣＢまたはＡＭＢなどの技術が適用可能である。
（ｃ）前述した図７（ｂ）と同様に、マスクパターン４１がある上面からのエッチングにより残余部を除去する。各モジュールに対応するように多層放熱基板を切断すると、半導体用放熱基板Ｍ３が完成する。
図９は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板の製造方法を示す。本図面は、第７実施例による半導体用放熱基板Ｍ４の製造方法を示す。
（ａ）まず、前述した図６（ａ）と同様に、マスクパターン４２の反対側面を固定深さ切削機械Ｅで加工して電極金属層３０に溝パターン３２Ｅを形成し、所定厚さｔの残余部３２１を残す。それとは別途に、セラミックベース１１を用意する。
（ｂ）前記セラミックベース１１上に前記溝パターン３２Ｅ側がセラミックベース１１を向き、その反対側である上面に前記マスクパターン４２と残余部３２１が位置した状態で、前記セラミックベース１１と前記電極金属層３０とを接合する。接合技術は、前記図８の実施例で説明した通りである。
（ｃ）その後、エッチングにより残余部３２１削除する。エッチングの代わりに、前記固定深さ切削機械Ｅを用いて前記残余部３２１追加的に切削してもよい。この場合、前記固定深さ切削機械Ｅの切削深さは、前記残余部３２１の厚さｔより深く、パターンスペース３２の深さを超えないようにする。各モジュールに対応するように多層放熱基板を切断すると、半導体用放熱基板Ｍ４が完成する。
図１０は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す。
本実施例による半導体用放熱基板Ｍ５は、金属ベース１２にヒートシンク構造物Ｈが一体に形成されたという点に特徴がある。電極金属層３０および絶縁層２０は、前述した図３～図６の実施例のいずれか１つと同様の方法で形成される。一方、前記金属ベース１２の代わりに、ヒートシンク構造物が一体に形成されたセラミックベースが採用されてもよい。
一方、前述した実施例において、パターンスペース３２と電極パターン３１との境界をなす段差部の断面プロファイルは、前記電極金属層３０の表面側から前記絶縁層２０またはセラミックベース１１が露出した面に至るまで前記２つの面に対して垂直であるか、ほぼ垂直に近く形成される。
図３、図６または図９の実施例において、エッチング工程なしに、前記固定深さ切削機械Ｅだけでパターンスペース３２が形成された場合は、前記段差部が実質的に垂直に形成され、図４～図９の実施例でエッチング工程により残余部３２０、３２１を削除する場合も、前記残余部の厚さｔが０．１ｍｍ未満であって、電極金属層３０のごく一部分に相当するため、等方性ウェットエッチング工程により残余部を削除しても、前記段差部と前記絶縁層２０またはセラミックベース１１との出会う部分の曲率半径（Ｒ）は０．１ｍｍ以下に形成される。したがって、パターンスペース３２を挟んで隣接した２つの電極パターン３１の間に優れた絶縁特性を得ることができる。
図１１は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す。
本実施例による半導体用放熱基板Ｍ６は、金属ベース１０の絶縁層２０と接する面と電極金属層３０の前記絶縁層２０と接する面のいずれか一方または両方ともに、断面がダブテール状の補強突起２１、２３がさらに備えられる。前記補強突起２１、２３は、図示のように、断面がダブテール状の溝が前記絶縁層２０と同一の素材で満たされて形成される。前記絶縁層２０の素材として、電気絶縁性および熱伝導性に優れたエポキシ樹脂などが適用可能である。
本実施例による半導体用放熱基板Ｍ６の製造過程で、前記金属ベース１０および／または前記電極金属層３０にダブテール状の溝を加工し、前記金属ベース１０と前記電極金属層３０との間にエポキシ樹脂を介在させて、真空ホットプレス工程によりこれらを接合することにより、前記補強突起２１、２３を形成することができる。
このように形成された前記補強突起２１、２３は、前記金属ベース１０をなす素材と前記電極金属層３０をなす素材との間で線膨張係数の差があっても、それによってこれらの層と前記絶縁層２０との間の境界面が剥離されるのを防止することができる。
図１２は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板が適用された電力半導体モジュールを示す。
発明の一実施例による半導体用放熱基板１０１が適用された電力半導体モジュールＭ７は、電力半導体素子３０１を含む。前記電力半導体素子３０１は、前記半導体用放熱基板１０２の上面に形成された複数の電極パターン３１の少なくとも１つの電極パターン上に実装され、ワイヤボンディング３０２により電気的に連結される。一方、これとは異なる形態の例として、電力半導体素子は、複数の入出力端子またはパッド電極を備え、これらが前記半導体用放熱基板１０２の複数の電極パターン３１上に表面実装（ＳＭＴ）されてもよい。前記複数の電極パターン３１は、電極パターンと電極パターンとの間のパターンスペース３２および複数の電極パターンで構成された電極パターングループの周辺部に充填された絶縁体によって取り囲まれたアイランド状に形成される。
図１３は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す。本図面は、前記図１２のＩＩ－ＩＩ’断面に対応する半導体用放熱基板の断面図である。
前記半導体用放熱基板Ｍ７は、図面の下から金属ベース１０と、絶縁層２０を含む絶縁部２１と、電極金属板３０から形成された複数の電極パターン３１とを含んで構成される。前記複数の電極パターン３１の間には、隣接した電極パターンの間を互いに電気的に絶縁させるパターンスペース３２が配置される。前記パターンスペース３２および前記複数の電極パターン３１で構成された電極パターングループの周辺部は、絶縁材で充填される。
前記金属ベース１０は、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属からなる。前記金属ベース１０は、厚い金属板または金属ブロックからなってもよい。一方、図示しないが、前記金属ベース１０の底面などには、外部との接触面積を拡張して熱発散効果を高めるための放熱フィン構造物が形成される。
前記絶縁部２１は、前記金属ベース１０と前記電極金属板３０との間の絶縁層２０と前記パターンスペース３２および複数のパターン電極３１の周辺部に絶縁体が充填された絶縁材充填部で構成される。前記絶縁層２０は、電気絶縁性の合成樹脂、酸化物または窒化物を含んで構成される。前記絶縁層２０は、電気絶縁性以外にも、熱伝導性および耐熱性に優れた素材からなることが好ましく、粘着あるいは接着性を有して前記金属ベース１０と前記電極金属板３０とを接合させる役割を兼ねることもできる。前記絶縁材充填部は、前述した絶縁層２０と同一の素材からなり、前記絶縁部２１が一体に形成される。前記絶縁部２１を形成するものとして、前記のように電気絶縁性と熱伝導性および耐熱性などの条件を満たす素材にエポキシ系の合成樹脂が挙げられる。
電極金属板３０は、銅、銅－マンガン合金、アルミニウム、ニッケルなど、比抵抗が低く、熱伝導性および加工性に優れた金属からなってもよい。前記電極パターン３１は、前記電極金属板３０の一部分が底まで削除されて前記絶縁層２０を露出させる絶縁スペース３２によって区画される。
ここで、前記電極金属板３０の厚さＴは、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。また、前記絶縁層２０の厚さをｔ１、前記周辺部および絶縁スペース３２の絶縁体の厚さをｔ２、そして前記絶縁層２０の底面から前記電極パターン３１の上面までの高さをＨとする時、これらは互いに次のような関係を有する。
＜式１＞ｔ１＜ｔ２≦Ｈ
つまり、前述した周辺部および絶縁スペース３２に充填された絶縁体の高さは、前記電極パターン３１の底面より高く、前記電極パターン３１の上面より低いか等しいように形成されることが好ましい。このような構造は、前記複数の電極パターン３１間の絶縁耐力はもちろん、半導体用放熱基板１０１と外部回路との間の絶縁耐力も向上させることができる。また、絶縁材充填部に前記電極パターン３１の少なくとも一部が埋め込まれている構造であるので、前記複数の電極パターン３１に対する剥離強度を向上させる。
図１４は、前記図１３の半導体用放熱基板を製造する工程を示す。
まず、（ａ）に示されるように、電極金属板３０の一面にエンドミルなどの切削ツールを用いた切削加工（ミリング）により、前述したパターンスペースおよび周辺部に対応する一定の深さの溝パターン３３０を形成する。前記溝パターン３３０の深さは、前記電極金属板３０の厚さより浅くして、前記溝パターン３３０の底に残余部３３１を残す。前記残余部３３１は、平面的にみると、前記パターンスペースおよび前記周辺部に対応する部分の全部に対して残すことができる。また、前記残余部３３１の厚さは、０．２ｍｍ未満であることが好ましく、より好ましくは０．０５ｍｍ～０．１ｍｍの厚さに形成される。
（ｂ）に示されるように、金属ベース１０の上面に絶縁性樹脂２００、例えば、エポキシ樹脂を印刷し、前記溝パターン３３０が形成された面に前記と同一の絶縁性樹脂２００が印刷された状態でひっくり返して、前記絶縁性樹脂２００が塗布された２つの面が互いに向かい合うように配置する。
（ｃ）に示されるように、前記（ｂ）工程で用意された部材を真空ホットプレス工程により接合する。その結果、前述のように、２つの部材の互いに向かい合う面それぞれに印刷された絶縁性樹脂２００は、一体に硬化して絶縁部２１を形成する。
ただし、前記（ｂ）、（ｃ）の例とは異なり、前記金属ベース１０の上面と前記電極金属板３０における溝パターン３３０の形成された面のいずれか１つの面に十分な厚さに絶縁性樹脂２００を塗布し、これらを互いに接合してもよい。
次に、（ｄ）に示されるように、前述した残余部３３１、すなわち、前述した溝パターン３３０によって区画された複数の電極パターン３１が薄い厚さに互いに連結されている部分をエッチング（Ｅｔｃｈｉｎｇ）またはミリング（Ｍｉｌｌｉｎｇ）により除去してパターンスペース３２を形成する。そして、図面に表示されたカッティングラインＣＴに沿ってカッティングすることにより、単一モジュール単位の半導体用放熱基板を完成する。
図１５は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す。
本実施例による半導体用放熱基板Ｍ８は、絶縁部２２内に絶縁性メッシュ２５を含むという点から、前述した図１３の実施例による半導体用放熱基板１０１と差異があり、残りの部分は同一である。前記絶縁性メッシュ２５は、固形の無機絶縁材、例えば、セラミック材質のメッシュであってもよい。前記絶縁性メッシュ２５は、前記絶縁部２２の残りの部分をなす絶縁性素材より比抵抗が高く、熱伝導度が高いセラミック材質からなり、電極パターン３１と金属ベース１０との間の絶縁耐力および熱伝導率を向上させるのに寄与することができる。また、前記絶縁部２２の熱膨張を抑制したり、機械的強度を高めるのにも寄与することができる。
図１６は、前記図１５の半導体用放熱基板を製造する工程を示す。
まず、（ａ）には、前述した図１４（ｂ）のように、電極金属板３０の溝パターン３３０が形成された面と金属ベース１０の上面にそれぞれ絶縁性樹脂２００が印刷された状態で、向かい合う絶縁性樹脂２００の間に前記絶縁性メッシュ２５が配置された状態が示される。
（ｂ）には、前記のような状態で真空ホットプレス工程を進行させて、前記絶縁部２２内に前記絶縁性メッシュ２５が介在したまま前記電極金属板と前記金属ベース１０とが接合され、前述した図１４（ｄ）のようなエッチングまたはミリング工程により残余部が除去されて複数の電極パターン３１とパターンスペース３２および周辺部が形成された様子が示される。そして、カッティングラインＣＴに沿ってカッティングされると、本実施例による半導体用放熱基板が完成する。
図１７は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す。
本実施例による半導体用放熱基板Ｍ９は、絶縁部２３における複数の電極パターン３１間のパターンスペース３２２をなす部分と前記複数の電極パターン３１の外側の周辺部をなす部分が次のような構造に形成される。第一、絶縁部２３の上面が前記複数の電極パターン３１の上面と同じ高さに形成される。第二、当該部分における前記絶縁部２３の底面が前記金属ベース１１の厚さ方向に拡張される。すなわち、前記金属ベース１１の上面における前記電極パターン３１の底面と対面する部分を除いた残りの部分が所定の深さに掘られて絶縁体で充填された構造を有する。
言い換えれば、電極パターン３１の厚さをＴ、電極パターン３１と金属ベース１１との間の絶縁層の厚さをｔ１、そして前記絶縁部２３中のパターンスペース３２２および前記周辺部に対応する部分の厚さをｔ３とする時、下記式のような関係が成立する。
＜式２＞Ｔ＋ｔ１＜ｔ３
このような構造の半導体用放熱基板１０３では、電極パターン３１の側面が絶縁部２３に全部埋め込まれて、前述した図１３の実施例と同様に、複数の電極パターン３１間および外部導電体との絶縁耐力が向上することはもちろん、電極パターン３１の剥離強度も向上する。また、前記絶縁部２３におけるパターンスペース３２２および周辺部が前記金属ベース１１の上面に形成された段差部と噛み合って支持されるので、横方向の荷重に強く、金属と絶縁体との間の熱膨張率の差による変形や破損も防止できる。このような構造によって、前記絶縁部２３と前記金属ベース１１との間の剥離強度も向上する。
図１８は、前記図１７の半導体用放熱基板を製造する工程を示す。
（ａ）に示されるように、金属ベース１０、絶縁層２０、および電極金属板３０が下から順に積層された多層基板を用意する。このような多層基板は、前述した実施例と同様に、金属ベース１０と電極金属板３０の向かい合う２つの面の間に絶縁性樹脂を印刷あるいは塗布し、真空ホットプレス工程によりこれらを接合することにより設けられる。
（ｂ）に示されるように、前記電極金属板３０の表面から切削加工、例えば、エンドミルツールを用いたミリング加工を行って、前記複数の電極パターン３１間のパターンスペース３２２および前記複数の電極パターン３１で構成された電極パターングループの外側の周辺部を前記金属ベース１０の上面よりも深く切削することにより、溝パターンを形成する。すなわち、前記電極金属板３０の厚さＴと前記絶縁層２０の厚さｔ１とを合わせたものよりも深く切削して、前記金属ベース１１の上部に前記電極パターン３１の底面と対面する部分より低い段差部１１１を形成する。
その後、（ｃ）に示されるように、切削された部分である前記溝パターンに絶縁性樹脂を充填し、硬化させて絶縁材充填部２０１を形成する。前記絶縁材充填部２０１は、前述した絶縁層２０と同一の絶縁性素材で形成される。これにより、絶縁部２３において前記絶縁層２０と前記絶縁材充填部２０１とは一体をなす。カッティングラインＣＴに沿ってカッティングすると、１つの半導体モジュールのための半導体用放熱基板が完成する。
図１９は、本発明の一実施例による半導体用放熱基板を示す。
本実施例による半導体用放熱基板Ｍ１０は、切削加工により前記電極パターン３１の側面に形成された第１切欠部３１２を含むという点、および／または前記金属ベース１２の段差部１２１の側面に形成された第２切欠部１２２を含むという点から、前記図６の実施例による半導体用放熱基板１０３と差異がある。これとともに、前記第１切欠部３１２および／または前記第２切欠部１２２を満たして形成された絶縁材充填部２０２の構造に差異があるという点を除き、本実施例の残りの構成は、前述した図６の実施例と同一である。
ここで、前記第１切欠部３１２および前記第２切欠部１２２は、前記電極パターン３１および前記金属ベース１２の上／下面に垂直をなす前記側面から内側に凹んで形成される。前記第１および第２切欠部３１２、１２２は、図７（ｂ）を参照して前述した切削工程で、一般的なエンドミルの代わりに、溝パターンおよび切欠部の形状に合わせて製作されたフォームツール（Ｆｏｒｍ Ｔｏｏｌ）を用いて切削することにより形成することができる。前記切欠部は、溝パターンと同時に形成されてもよく、溝パターンの形成後に形成されてもよい。前記フォームツールを用いた切削加工は、前記金属ベース１２に平行な方向に行われる。
本実施例による半導体用放熱基板１０４は、前記第１切欠部３１２および前記第２切欠部１２２を両方とも含んでもよく、いずれか１つだけを含んで構成されてもよい。前記第１切欠部３１２および前記第２切欠部１２２は、絶縁材充填部２０２の側面がそれぞれ前記電極パターン３１および前記金属ベース１２に噛み合うようにすることにより、前記半導体用放熱基板１０４の剥離強度を大きく向上させる。
本発明は、放熱板の機能と半導体素子実装用回路基板の機能を兼ねた放熱基板の製造に利用可能である。本発明による半導体用放熱基板は、電力半導体素子または高出力ＬＥＤなどが含まれた半導体モジュールの製造に活用できる。

Claims (12)

  1. パターンスペースによって半導体素子が実装される電極パターンが形成された電極金属層と、
    前記半導体素子から放出された熱を熱伝導によって拡散および発散する放熱体を構成する金属ベースと、
    電気的絶縁性を呈し、前記電極金属層と前記金属ベースとの間に配置された絶縁層と、
    前記金属ベースにおける前記絶縁層と接する面と前記電極金属層における前記絶縁層と接する面の少なくともいずれか一方に形成された溝と、前記溝内部が前記絶縁層と同一の素材で満たされた補強突起とを含み、
    前記パターンスペースと前記電極パターンとの境界をなす段差部の断面プロファイルは、前記電極金属層の表面側から前記絶縁層の側に向かって垂直であり、
    前記溝と前記補強突起は、断面がダブテール状である、
    半導体用放熱基板。
  2. 金属ベース、絶縁層、および電極金属層が順に積層された形態で接合された多層放熱基板を形成する接合ステップと、
    予め設計された電極パターンの形態によって、前記電極金属層の表面から前記電極金属層の底面より浅い深さの溝を切削加工して、互いに隣接した電極パターンの間に所定厚さの残余部が残された溝パターンを形成する切削ステップと、
    前記残余部を完全にエッチングして前記絶縁層を露出させることにより、前記互いに隣接した電極パターンを電気的に絶縁させるエッチングステップと、を含み、
    前記接合ステップは、前記絶縁層を介して前記電極金属層と前記金属ベースとを接合しかつ、前記接合ステップの前に、前記電極金属層または前記金属ベースにおいて前記絶縁層と接する面に断面がダブテール状の溝を形成した後、真空ホットプレス工程を進行させて、接合と同時に前記絶縁層と連結された断面がダブテール状の補強突起を形成する、
    半導体用放熱基板の製造方法。
  3. 予め設計された電極パターンの形態によって、電極金属層の表面から前記電極金属層の底面より浅い深さの溝を切削加工して、互いに隣接した電極パターンの間に所定厚さの残余部が残された溝パターンを形成する切削ステップと、
    金属ベース、絶縁層、および前記電極金属層を順に積層された形態で接合しかつ、前記電極金属層において平らな前記底面が前記絶縁層と接するようにする接合ステップと、
    前記残余部を完全にエッチングして前記絶縁層を露出させることにより、前記互いに隣接した電極パターンを電気的に絶縁させるエッチングステップと、を含み、
    前記接合ステップは、前記絶縁層を介して前記電極金属層と前記金属ベースとを接合しかつ、前記接合ステップの前に、前記電極金属層または前記金属ベースにおいて前記絶縁層と接する面に断面がダブテール状の溝を形成した後、真空ホットプレス工程を進行させて、接合と同時に前記絶縁層と連結された断面がダブテール状の補強突起を形成する、
    半導体用放熱基板の製造方法。
  4. パターンスペースが間毎に形成されて、互いに電気的に絶縁された複数の電極パターンを有する電極金属板と、
    前記電極金属板の下に配置されて、前記電極金属板から伝導された熱を拡散させる金属ベースと、
    前記電極金属板と前記金属ベースとの間に形成された絶縁層と、
    前記パターンスペースと前記複数の電極パターンで構成された電極パターングループの外側の周辺部を埋め、前記複数の電極パターンの側面に直接接触してこれらを支持するように形成された絶縁材充填部と、を含み、
    前記金属ベースは、前記パターンスペースおよび前記周辺部の下の部分が前記複数の電極パターンの真下に位置した上面より低く切削された段差部をさらに含み、前記絶縁材充填部は、前記段差部の側面および底面と直接接触するように拡張されている、
    半導体用放熱基板。
  5. 前記絶縁層および前記絶縁材充填部は、互いに同一の電気絶縁性樹脂からなり、一体に形成された絶縁部を構成する、
    請求項４に記載の半導体用放熱基板。
  6. 前記電極金属板と前記金属ベースとの間の前記絶縁層内に埋め込まれた絶縁性セラミックメッシュをさらに含む、
    請求項４に記載の半導体用放熱基板。
  7. 前記複数の電極パターンの側面に凹んで形成された第１切欠（ｎｏｔｃｈ）部または前記金属ベースの段差部の側面に凹んで形成された第２切欠（ｎｏｔｃｈ）部をさらに含み、前記絶縁材充填部は、前記第１切欠（ｎｏｔｃｈ）部または前記第２切欠（ｎｏｔｃｈ）部を埋めるように形成された、
    請求項４に記載の半導体用放熱基板。
  8. 複数の電極パターンと、前記複数の電極パターンの間毎に形成されて、これらを電気的に絶縁させるパターンスペースと、前記複数の電極パターンで構成された電極パターングループの外側を取り囲む周辺部とを有する半導体用放熱基板の製造方法において、
    前記複数の電極パターンをなすこととなる電極金属板をその一面からその厚さより浅い所定の深さに切削し、平面的にみると、前記パターンスペースおよび前記周辺部に対応する部分の全部に対して残余部を残して前記パターンスペースおよび前記周辺部に対応する溝パターンを形成するステップと、
    前記溝パターンが形成された前記電極金属板の一面およびそれと対面する金属ベースの一面のうち少なくとも前記電極金属板側に前記溝パターンが絶縁材で充填されるように絶縁性樹脂を印刷し、前記電極金属板と前記金属ベースとを前記絶縁性樹脂を介して接合するステップと、
    前記残余部を除去して前記複数の電極パターンを互いに分離させるステップと、を含む、
    半導体用放熱基板の製造方法。
  9. 前記残余部の除去時に、前記残余部を切削加工して除去する、
    請求項８に記載の半導体用放熱基板の製造方法。
  10. 前記電極金属板と前記金属ベースとの接合時に、前記電極金属板の一面および前記金属ベースの一面それぞれに絶縁性樹脂を印刷し、これらの間に絶縁性セラミックメッシュを挿入したまま接合する、
    請求項８に記載の半導体用放熱基板の製造方法。
  11. 金属ベース、絶縁層、および電極金属板が順に積層された多層基板を形成するステップと、
    前記多層基板を前記電極金属板側において前記金属ベースの上面より深い所定の深さに切削加工して、複数の電極パターンを定義するパターンスペースおよび前記複数の電極パターンで構成された電極パターングループの外側の周辺部に対応する溝パターンを形成するステップと、
    前記溝パターンを絶縁性樹脂で充填し、硬化させて絶縁材充填部を形成するステップと、を含む、
    半導体用放熱基板の製造方法。
  12. 前記溝パターンの形成時に、前記複数の電極パターンの側面に凹んだ形状の第１切欠（ｎｏｔｃｈ）部または前記金属ベースの段差部の側面に凹んだ形状の第２切欠（ｎｏｔｃｈ）部を形成する、
    請求項１１に記載の半導体用放熱基板の製造方法。
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