JP7608891B2

JP7608891B2 - ヒートシンク一体型絶縁回路基板

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Publication number: JP7608891B2
Application number: JP2021040439A
Authority: JP
Inventors: 東洋大橋; 祥郎黒光; 航岩崎; 慶昭坂庭
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2025-01-07
Anticipated expiration: 2041-03-12
Also published as: WO2022191331A1; EP4307361A4; EP4307361A1; JP2022139874A; TW202243156A

Description

この発明は、ヒートシンクと、このヒートシンクの天板部に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層の一方の面に形成された回路層と、を備えたヒートシンク一体型絶縁回路基板に関するものである。

パワーモジュール、ＬＥＤモジュールおよ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素子および熱電素子が接合された構造とされている。なお、絶縁層としては、セラミックスを用いたものや絶縁樹脂を用いたものが提案されている。
絶縁樹脂層を備えた絶縁回路基板として、例えば特許文献１には、ヒートシンクと回路層とを絶縁樹脂シートによって絶縁したヒートシンク一体型絶縁回路基板が提案されている。

また、特許文献２には、熱発生部材の少なくとも一つの面に熱伝導性絶縁接着膜を介して放熱ベース基板が接着された複合部材が開示されている。この特許文献２においては、温度変化に伴う放熱部材および熱発生部材の膨張または伸縮から生じる応力によって熱伝導性絶縁接着膜にクラックが生じることを抑制するために、せん断接着力と熱応力の関係、および、破断伸度と熱歪との関係を規定している。

特開平１１－２０４７００号公報特開２０１９－０４１１１１号公報

ところで、ヒートシンクの天板部に絶縁樹脂層を形成し、この絶縁樹脂層の上に回路層を形成したヒートシンク一体型絶縁回路基板においては、温度変化によって面に直交する方向への応力が生じ、反りが発生することがある。
ヒートシンク一体型絶縁回路基板において反りが生じた場合には、回路層の端部が絶縁樹脂層から剥離したり、この剥離が絶縁樹脂層の内部に進展したりしてしまうおそれがあった。
ここで、特許文献２においては、面内の応力やひずみについては評価しているが、面に直交する方向についての応力については考慮されていない。このため、回路層の剥離や絶縁樹脂層の内部剥離については、全く対応していない。

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、温度変化による面に直交する方向への応力の発生を抑制することにより、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制でき、信頼性に優れたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供することを目的としている。

前述の課題を解決するために、本発明者ら鋭意検討を行った結果、銅層とアルミニウム層との厚さ比を適正化することにより、温度変化による面に直交する方向への応力を低減可能であるとの知見を得た。
すなわち、ヒートシンクの天板部を銅層とアルミニウム層とが積層したクラッド構造とし、銅層の厚さ、アルミニウム層の厚さを変更し、温度変化による面に直交する方向への応力を熱計算することにより、これらの厚さの適正範囲を求めた。

本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明のヒートシンク一体型絶縁回路基板は、ヒートシンクと、このヒートシンクの天板部に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層の一方の面に形成された回路層と、を備え、前記回路層は、銅又は銅合金で構成されており、前記ヒートシンクの天板部は、アルミニウム又はアルミニウムからなるアルミニウム層とこのアルミニウム層に積層された銅層とを備えたクラッド構造とされ、前記銅層の表面に前記絶縁樹脂層が形成されており、前記アルミニウム層の厚さｔａと前記銅層の厚さｔｃとの比ｔａ／ｔｃが０．１以上３０以下であることを特徴としている。

この構成のヒートシンク一体型絶縁回路基板によれば、ヒートシンクの天板部が銅層とアルミニウム層とが積層されたクラッド構造とされており、前記アルミニウム層の厚さｔａと前記銅層の厚さｔｃとの比ｔａ／ｔｃが３０以下とされているので、温度変化によって生じる面に直交する方向への応力を低減することができ、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制することが可能となる。

ここで、本発明のヒートシンク一体型絶縁回路基板においては、前記絶縁樹脂層は、無機材料のフィラーを含有していることが好ましい。
この場合、絶縁樹脂層の熱伝導性が確保されることから、回路層の上に搭載された熱源からの熱をヒートシンク側へと効率良く伝達することができ、ヒートシンク側で効率良く放熱することが可能となる。

また、本発明のヒートシンク一体型絶縁回路基板においては、前記ヒートシンクは、放熱フィンを備えていることが好ましい。
この場合、前記ヒートシンクにおける放熱特性が向上し、回路層の上に搭載された熱源からの熱をヒートシンク側で効率良く放熱することができる。

本発明によれば、温度変化による面に直交する方向への応力の発生を抑制することにより、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制でき、信頼性に優れたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係るヒートシンク一体型絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。本発明の実施形態に係るヒートシンク一体型絶縁回路基板の製造方法の一例を説明するフロー図である。本発明の実施形態に係るヒートシンク一体型絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。本発明の実施形態に係るヒートシンク一体型絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。

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ヒートシンク一体型絶縁回路基板１０およびこのヒートシンク一体型絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。

図１に示すパワーモジュール１は、ヒートシンク一体型絶縁回路基板１０と、このヒートシンク一体型絶縁回路基板１０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。

半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。ヒートシンク一体型絶縁回路基板１０と半導体素子３とを接合するはんだ層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。

絶縁樹脂層１２は、回路層１３とヒートシンク２０との間の電気的接続を防止するものであり、絶縁性を有する樹脂で構成されている。
本実施形態では、絶縁樹脂層１２の強度を確保するとともに、熱伝導性を確保するために、無機材料のフィラーを含有する樹脂を用いることが好ましい。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。絶縁樹脂層１２における熱伝導性を確保する観点から、フィラーの含有量は７０ｍａｓｓ％以上であることが好ましく、８０ｍａｓｓ％以上であることがより好ましい。
また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等を用いることができる。ここで、エポキシ樹脂であればフィラーを７０ｍａｓｓ％以上含有することができ、シリコン樹脂であればフィラーを８０ｍａｓｓ％以上含有することができる。

なお、絶縁樹脂層１２における絶縁性を十分に確保するためには、絶縁樹脂層１２の厚さを５０μｍ以上とすることが好ましく、１００μｍ以上とすることがより好ましい。一方、ヒートシンク一体型絶縁回路基板１０における放熱性をさらに確保するためには、絶縁樹脂層１２の厚さを２５０μｍ以下とすることが好ましく、１５０μｍ以下とすることがより好ましい。

回路層１３は、図４に示すように、絶縁樹脂層１２の一方の面（図４において上面）に、導電性に優れた銅又は銅合金からなる金属片３３が接合されることにより形成されている。回路層１３を構成する金属片３３として、無酸素銅の圧延板を打ち抜いたものが用いられている。
この回路層１３においては、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
ここで、回路層１３の厚さｔは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。回路層１３の厚さｔを０．１ｍｍ以上とすることで、半導体素子３の発熱を十分に広げることができる。一方、回路層１３の厚さｔを３．０ｍｍ以下とすることで、回路パターンの形成精度悪化や製造効率悪化などの問題の発生を抑制することできる。
なお、回路層１３の厚さｔは、放熱性確保のためには０．３ｍｍ以上とすることがさらに好ましく、０．５ｍｍ以上とすることがより好ましい。また、回路層１３の厚さｔは、２．５ｍｍ以下とすることがさらに好ましく、２．０ｍｍ以下とすることがより好ましい。

ヒートシンク一体型絶縁回路基板１０は、ヒートシンク２０と、このヒートシンク２０の天板部２１の一方の面（図１において上面）に形成された絶縁樹脂層１２と、絶縁樹脂層１２の一方の面（図１において上面）に形成された回路層１３と、を備えている。なお、上述の半導体素子３は、回路層１３の一方の面（図１において上面）に接合される。

ヒートシンク２０は、天板部２１と、この天板部２１の他方の面（図１において下面）から突出した放熱フィン２５と、を備えている。
このヒートシンク２０においては、天板部２１で熱を面方向に拡げるとともに、放熱フィン２５を介して外部に放熱する構成とされている。

ヒートシンク２０の天板部２１は、図１に示すように、銅層２１ｃとアルミニウム層２１ａとが積層されたクラッド構造とされており、銅層２１ｃの表面に絶縁樹脂層１２が形成されている。
銅層２１ｃは、純銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、無酸素銅で構成されている。
アルミニウム層２１ａは、純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、Ａ６０６３合金で構成されている。Ａ６０６３以外にも、Ａ３００３等のアルミニウム合金を用いることができる。純アルミニウムとしては、純度が９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎ－Ａｌ、純度が９９．９ｍａｓｓ％以上の３Ｎ－Ａｌ、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎ－Ａｌなどを用いることができる。

そして、天板部２１を構成するアルミニウム層２１ａの厚さｔａと銅層２１ｃの厚さｔｃとの比ｔａ／ｔｃが３０以下とされている。比ｔａ／ｔｃが３０を超えた場合、熱処理時に部材の線膨張差を起因とした熱応力により金属（銅層２１ｃ）と樹脂界面端部から剥離が生じる。
ここで、アルミニウム層２１ａの厚さｔａと銅層２１ｃの厚さｔｃとの比ｔａ／ｔｃは、２０以下であることが好ましく、１０以下であることがより好ましい。アルミニウム層２１ａの厚さｔａと銅層２１ｃの厚さｔｃとの比ｔａ／ｔｃの下限に特に制限はないが、０．１以上であることが好ましく、０．５以上であることがより好ましい。

また、本実施形態においては、天板部２１を構成する銅層２１ｃの厚さｔｃが０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。銅層２１ｃの厚さｔｃを０．１ｍｍ以上とすることで、固相拡散接合によりアルミニウム層２１ａと銅層２１ｃとが積層したクラッド構造を形成した際に銅層２１ｃが全て金属間化合物に変わり放熱性が悪化することを抑制できる。一方、銅層２１ｃの厚さｔｃを３．０ｍｍ以下とすることにより、銅の加工性の面で問題が生じることを抑制できる。
ここで、銅層２１ｃの厚さｔｃは、０．３ｍｍ以上であることがさらに好ましく、０．５ｍｍ以上であることがより好ましい。また、銅層２１ｃの厚さｔｃは、３．０ｍｍ以下であることがさらに好ましく、２．０ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、本実施形態においては、天板部２１を構成するアルミニウム層２１ａの厚さｔａが０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。アルミニウム層２１ａの厚さｔａを０．１ｍｍ以上とすることにより、フィンの加工面で問題が生じることを抑制できる。一方、アルミニウム層２１ａの厚さｔａを５．０ｍｍ以下とすることにより、放熱性が悪化することを抑制できる。
ここで、アルミニウム層２１ａの厚さｔａは、１．０ｍｍ以上であることがさらに好ましく、２．０ｍｍ以上であることがより好ましい。また、アルミニウム層２１ａの厚さｔａは、４．０ｍｍ以下であることがさらに好ましく、３．０ｍｍ以下であることがより好ましい。

なお、放熱フィン２５は、アルミニウム層２１ａに接続されており、本実施形態においては、放熱フィン２５もアルミニウム層２１ａと同じ材質（Ａ６０６３合金）で構成されている。
また、放熱フィン２５は、ピンフィン構造であってもよいし、櫛形構造であってもよい。なお、放熱フィン２５が形成された箇所における放熱フィン２５が占める体積割合を１０％以上４０％以下の範囲内とすることが好ましい。

次に、本実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板１０の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。

（天板部形成工程Ｓ０１）
まず、アルミニウム層２１ａと銅層２１ｃとが積層したクラッド構造の天板部２１を形成する。
本実施形態では、図３に示すように、アルミニウム板３１ａと銅板３１ｃとを積層し、積層方向に加圧および加熱することにより、アルミニウム板３１ａと銅板３１ｃとを固相拡散接合することで、クラッド構造の天板部２１を形成している。なお、本実施形態においては、図３に示すように、アルミニウム板３１ａに放熱フィン２５が形成された状態で、銅板３１ｃと接合している。
ここで、アルミニウム板３１ａと銅板３１ｃの固相拡散接合の条件は、加熱温度が４００℃以上５４８℃未満の範囲内、加圧荷重が０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内、保持時間が５分以上２４０分以下の範囲内とすることが好ましい。

（樹脂組成物配設工程Ｓ０２）
次に、図４に示すように、ヒートシンク２０の天板部２１（銅層２１ｃ）の一方の面（図４において上面）に、無機材料のフィラーと樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物３２を配設する。本実施形態では、樹脂組成物３２はシート状のものを用いている。

（金属片配置工程Ｓ０３）
次に、樹脂組成物３２の一方の面（図４において上面）に、回路層１３となる複数の金属片３３を回路パターン状に配置する。

（加圧および加熱工程Ｓ０４）
次に、加圧装置によってし、ヒートシンク２０と樹脂組成物３２と金属片３３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３２を硬化させて絶縁樹脂層１２を形成するとともに、ヒートシンク２０の天板部２１（銅層２１ｃ）と絶縁樹脂層１２、絶縁樹脂層１２と金属片３３とを接合する。

この加圧および加熱工程Ｓ０４においては、加熱温度が１２０℃以上３５０℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が１０分以上１８０分以下の範囲内とされていることが好ましい。また、積層方向の加圧荷重が１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内とされていることが好ましい。
ここで、加熱温度の下限は１５０℃以上とすることがさらに好ましく、１７０℃以上とすることがより好ましい。一方、加熱温度の上限は２５０℃以下とすることがさらに好ましく、２００℃以下とすることがより好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は３０分以上とすることがさらに好ましく、６０分以上とすることがより好ましい。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さらに好ましく、９０分以下とすることがより好ましい。
積層方向の加圧荷重の下限は５ＭＰａ以上とすることがさらに好ましく、８ＭＰａ以上とすることがより好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は１５ＭＰａ以下とすることがさらに好ましく、１０ＭＰａ以下とすることがより好ましい。

上述した各工程によって、本実施形態であるヒートシンク一体型絶縁回路基板１０が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク一体型絶縁回路基板１０によれば、ヒートシンク２０の天板部２１が銅層２１ｃとアルミニウム層２１ａとが積層されたクラッド構造とされており、アルミニウム層２１ａの厚さｔａと銅層２１ｃの厚さｔｃとの比ｔａ／ｔｃが３０以下とされているので、温度変化によって生じる面に直交する方向への応力を低減することができ、回路層１３と絶縁樹脂層１２との剥離、あるいは、絶縁樹脂層１２の内部剥離の発生を抑制することが可能となる。

本実施形態においては、絶縁樹脂層１２が無機材料のフィラーを含有しているので、絶縁樹脂層１２の熱伝導性が確保され、回路層１３の上に搭載された半導体素子３からの熱をヒートシンク２０側へと効率良く伝達することができる。

また、本実施形態においては、ヒートシンク２０が放熱フィン２５を備えているので、ヒートシンク２０における放熱特性が向上し、回路層１３の上に搭載された半導体素子３からの熱をヒートシンク２０側で効率良く放熱することができる。

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。
本実施形態においては、図２から図４に示すヒートシンク一体型絶縁回路基板の製造方法によってヒートシンク一体型絶縁回路基板を製造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、本実施形態では、銅板とアルミニウム板とを固相拡散接合することによってクラッド構造の天板部を形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く、アルミニウム板の表面に銅層をめっきすることにより、クラッド構造の天板部を形成してもよい。

さらに、本実施形態では、ヒートシンク一体型絶縁回路基板に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、ヒートシンク一体型絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、ヒートシンク一体型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、本実施形態では、絶縁樹脂層が無機材料のフィラーを含有したものとして説明したが、これに限定されることはなく、無機材料のフィラーを含有しないものであってもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクが放熱フィンを備えたものとして説明したが、これに限定されることはなく、放熱フィンを備えていない構造のヒートシンクであってもよい。

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。

表１に示す構造のヒートシンクの天板部（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さは表１に記載）に、表１に示す樹脂組成物のシート材を配置し、この樹脂組成物のシート材上に、表１に示す回路層を形成する金属片を配置し、積層したヒートシンクと樹脂組成物のシート材と金属片とを、積層方向に加圧しながら加熱し、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、ヒートシンクの天板部と絶縁樹脂層、および、絶縁樹脂層と金属片を接合し、ヒートシンク一体型絶縁回路基板を得た。なお、積層方向の加圧圧力は１ＭＰａ、加熱温度は５３０℃、加熱温度での保持時間は６０分とした。また、表１において、「Al₂O₃,BN」は、アルミナとBNを１：４（体積比）で混合したフィラーを用いたことを示す。
以上のようにして、得られたヒートシンク一体型絶縁回路基板について、以下の項目について評価した。

（熱処理後の破断）
得られたヒートシンク一体型絶縁回路基板に対して、３００℃×１０分の熱処理を実施し、絶縁樹脂層の破断状況を確認した。なお、熱処理後のヒートシンク一体型絶縁回路基板を、上面視した矩形の対角線上に切断し、断面観察を行い、絶縁樹脂層における破断長が絶縁樹脂層における対角線長さの２％以上の場合を「×」、２％未満の場合を「○」とした。

天板部をアルミニウムのみで構成した比較例１においては、熱処理後に絶縁樹脂層の破断が確認された。
天板部をアルミニウム層と銅層との積層構造とし、アルミニウム層の厚さｔａと銅層の厚さｔｃとの比ｔａ／ｔｃが３０を超える比較例２においては、熱処理後に絶縁樹脂層の破断が確認された。

これに対して、天板部をアルミニウム層と銅層との積層構造とし、アルミニウム層の厚さｔａと銅層の厚さｔｃとの比ｔａ／ｔｃが３０以下である本発明例１～１４においては、熱処理後における絶縁樹脂層の破断を十分に抑制することができた。

以上のことから、本発明例によれば、温度変化による面に直交する方向への応力の発生を抑制することにより、回路層と絶縁樹脂層との剥離、あるいは、絶縁樹脂層の内部剥離の発生を抑制でき、信頼性に優れたヒートシンク一体型絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。

１０ヒートシンク一体型絶縁回路基板
１２絶縁樹脂層
１３回路層
２０ヒートシンク
２１天板部
２１ｃ銅層
２１ａアルミニウム層
２５放熱フィン

Claims

ヒートシンクと、このヒートシンクの天板部に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層の一方の面に形成された回路層と、を備え、
前記回路層は、銅又は銅合金で構成されており、
前記ヒートシンクの天板部は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層とこのアルミニウム層に積層された銅層とを備えたクラッド構造とされ、前記銅層の表面に前記絶縁樹脂層が形成されており、
前記アルミニウム層の厚さｔａと前記銅層の厚さｔｃとの比ｔａ／ｔｃが０．１以上３０以下であることを特徴とするヒートシンク一体型絶縁回路基板。
前記絶縁樹脂層は、無機材料のフィラーを含有していることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク一体型絶縁回路基板。
前記ヒートシンクは、放熱フィンを備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク一体型絶縁回路基板。