KR100404562B1

KR100404562B1 - 열전도 기판 및 이를 이용한 반도체 모듈

Info

Publication number: KR100404562B1
Application number: KR10-2001-0058703A
Authority: KR
Inventors: 히라노고이치; 야마시타요시히사; 나카타니세이이치
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2003-11-05
Also published as: US6958535B2; KR20020023667A; US20020096759A1

Abstract

본 발명은 회로기판을 외부 방열부재에 고정할 시에 그 사이의 열저항을 충분히 낮게 유지하고, 장치의 동작시 등 고온으로 되었을 때도 모듈과 외부 방열부재의 접촉을 손상시키지 않아 낮은 열저항을 유지하고, 또한 기판의 깨짐이나 크랙을 발생시키지 않으며 신뢰성이 높은 열전도 기판 및 이를 이용한 반도체 모듈을 제공하는 것으로서, 배선 패턴(11), 무기질 필러 70∼95중량%와 열경화성 수지를 5∼30중량% 포함하는 열전도 혼합물로 이루어지는 전기 절연층(12) 및 방열판(13)을 포함하고, 외부 방열부재에 고정되어 사용되는 회로기판으로서, 상기 외부 방열부재에 대한 상기 회로기판의 휘어짐이 기판길이에 대해 1/500 이하이고, 온도가 상승함에 따라 상기 회로기판의 휘어짐이 상기 방열판측으로 볼록하게 되는 방향으로 변화한다. 이에 따라 실사용시에 온도 상승되어도 방열성이 손상되지 않는다.

Description

열전도 기판 및 이를 이용한 반도체 모듈{THERMOCONDUCTIVE SUBSTRATE AND SEMICONDUCTOR MODULE USING THE SAME}

본 발명은 각종 전기·전자기기에 이용되는 회로기판 및 이를 이용한 반도체 모듈에 관한 것으로, 특히 파워 일렉트로닉스 분야 등, 방열성이 강하게 요구되는 기기에 적합한 열전도 기판에 관한 것이다.

최근, 전자기기의 고성능화, 소형화의 요구에 따라, 반도체의 고밀도, 고기능화가 요청되고 있다. 이에 따라 이들을 실장하기 위해 회로기판도 또한 소형이고 고밀도인 것이 요구되고 있다. 그 결과, 회로기판의 방열을 고려한 설계가 중요해지고 있다. 회로기판의 방열성을 개량하는 기술로서, 종래의 유리-에폭시 수지에 의한 프린트 기판에 대해, 동이나 알루미늄 등의 금속판을 사용하고, 이 금속판의 한면 또는 양면에 전기 절연층을 통해 회로 패턴을 형성하는 금속 베이스 기판이 알려져 있다. 또한 보다 고열 전도성이 요구되는 경우는 알루미나, 질화 알루미늄 등의 세라믹 기판에 동판을 다이렉트로 접합한 기판이 이용되고 있다. 비교적 소전력인 용도에는 금속 베이스 기판이 일반적으로 이용되는데, 열전도를 좋게 하기 위해 전기 절연층은 얇지 않으면 안되고, 회로 패턴 금속판사이에서 노이즈의 영향을 받기쉬운 것과, 절연 내압에 과제를 가지고 있다.

이들 문제를 해결하기 위해, 최근 수지중에 열전도성이 좋은 필러를 충전한 조성물을 전극인 리드 프레임과 일체화한 기판이 제안되어 있다. 이러한 조성물을 이용한 기판으로는 예를들면 특개평 10-173097호 공보에 제안되어 있다. 그 열전도 기판의 제조방법을 도7에 도시한다. 이에 의하면 무기질 필러와 열경화성 수지를 적어도 포함하는 혼합물 슬러리를 막 제조하여 시트형상의 열전도 혼합물(72)을 제작하고, 이를 건조시킨 후, 도7(a)에 도시하는 바와같이 리드 프레임(71)과 중첩시키고, 이어서 도7(b)에 도시하는 바와같이 가열 가압하여 시트형상의 열전도 혼합물(72)을 경화시켜 전기 절연층(73)으로 한 열전도 기판(74)을 제작하고 있다.

이러한 방열성을 높이는 것을 목적으로 한 기판에 있어서는 이 기판을 이용하여 제작한 반도체 모듈을 외부의 방열 부재에 접촉시키고, 반도체 및 각 부품으로부터 발생한 열을 빠르게 외부 방열부재에 전달하고, 반도체 및 각 부품의 온도가 일정한 값을 넘지 않도록 하여 사용하는 것이 일반적이다. 또한 이 목적을 위해, 기판의 외부 방열부재와의 접촉면에는 열전도율이 높은 방열판을 설치하는 경우가 많다.

이 경우, 회로기판의 방열판과 외부 방열부재를 단단하게 고정하는 것과, 이들을 충분히 접촉시켜 그 사이의 열저항을 작게 하는 것이 중요하다. 반도체 모듈을 외부 방열부재에 고정하는 방법으로는 나사 고정 등이 일반적으로 행해지고 있고, 반도체 모듈의 네모퉁이 혹은 변부분, 즉 회로기판의 네모퉁이 및/또는 변부분에 나사 구멍이나 관통 구멍을 형성하고, 외부 방열부재에 고정한다. 또한, 회로기판과 외부 방열부재와의 열저항을 작게 하기 위해서는, 그 사이에 열전도성이 비교적 좋은 실리콘 혼합물 등을 얇게 도포하고 나서 고정하는 것이 일반적이다.

이와같이 하여 회로기판 또는 이를 이용한 반도체 모듈을 외부 방열부재에 고정함과 동시에 접촉성을 높이고, 열저항을 작게 하기 위해서는 회로기판의 평면도가 중요하게 된다. 회로기판의 휘어짐이 큰 경우, 필연적으로 양자간에 간극이 발생하고, 그 사이의 열저항이 높아지기 때문이다. 특히 회로기판이 그 방열판측에서 봐서 오목 방향으로 구부러져 있는 경우, 그 휘어짐이 크면 기판을 외부 방열부재에 고정하는 네모퉁이 혹은 변에 접촉해도, 그 중앙부분에서는 접촉하지 않고, 그 결과 열저항이 높아지고, 모듈의 온도가 너무 높아져 동작이상이나 부품의 고장이 발생하기 쉬워진다는 과제를 가지고 있었다. 반대로, 회로기판이 그 방열판측에서 봐서 볼록 방향으로 구부러져 있는 경우, 회로기판과 외부 방열부재와의 접촉성은 양호하게 되지만, 고정할 때 그 사이에 응력이 발생하여, 절연층의 깨짐이나 크랙이 발생하거나, 배선 패턴 혹은 방열판과 절연층간에서 박리가 발생한다는 과제를 가지고 있었다.

또한, 반도체 모듈의 회로기판을 외부 방열부재에 고정하는 공정은 통상 실온에서 행해지지만, 회로기판은 다른 재료를 층상으로 적층한 구조체이므로, 온도에 의해 기판의 휘어짐이 변화한다. 이 때문에, 회로기판의 고정시에는 외부 방열부재와 거의 충분한 접촉을 얻을 수 있었음에도 불구하고, 반도체 모듈의 동작시에는 온도 상승에 의해 기판에 휘어짐이 발생해 그 접촉을 잃어 반도체 모듈의 열 폭주로 연결된다는 과제가 있었다.

또한, 온도에 의해 기판의 휘어짐이 변화하는 경우, 휘어짐의 변화가 크면 기판을 외부 방열부재에 고정했을 때 기판에 발생하는 응력이 커지고, 그 결과 기판의 깨짐이나 크랙이 발생하여, 절연 불량으로 되거나, 신뢰성이 저하하기도 하는 과제가 있었다.

본 발명은 이들 과제를 해결하기 위해서 행해진 것으로, 회로기판을 외부 방열부재에 고정하여 사용할 때 열저항을 충분히 낮게 유지하고, 특히 장치의 동작시 등 고온으로 되었을 때에 모듈과 외부 방열부재와의 접촉성을 강화하여 낮은 열 저항을 유지하고, 또한 기판의 깨짐이나 크랙을 발생시키지 않으며 신뢰성이 높은 열전도 기판 및 이를 이용한 반도체 모듈을 얻는 것을 목적으로 한다.

도1은 본 발명의 실시 형태1의 열전도 기판을 도시하는 단면도,

도2의 A-B는 본 발명의 실시 형태1의 열전도 기판의 제조방법을 도시하는 공정별 단면도,

도3의 A-C는 본 발명의 실시 형태2의 열전도 기판의 제조방법을 도시하는 공정별 단면도,

도4의 A-E는 본 발명의 실시 형태3의 열전도 기판의 제조방법을 도시하는 공정별 단면도,

도5의 A-G는 본 발명의 실시 형태4의 열전도 기판의 제조방법을 도시하는 공정별 단면도,

도6의 A-B는 본 발명의 실시 형태5의 반도체 모듈의 구성을 도시하는 단면 및 외관도,

도7의 A-B는 종래예의 열전도 기판의 제조방법을 도시하는 공정별 단면도,

도8은 본 발명의 실시예1의 열전도 기판의 휘어짐의 온도변화를 나타내는 그래프,

도9는 본 발명의 실시예2의 열전도 기판의 휘어짐의 온도변화를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 21, 71 : 리드 프레임

12, 24, 34, 47, 53, 63, 73 : 전기 절연층

13, 23, 33, 46, 58, 61 : 방열판

21, 32, 45, 52, 72 : 열전도 혼합물

25, 36, 48, 59, 74 : 열전도 기판

31, 41, 51 : 금속박 35, 44, 56, 62 : 배선 패턴

42 : 접착층 43 : 이형 필름

54 : 관통 구멍 55 : 스루 홀내의 도금

57 : 양면 배선기판 64 : 외부 인출 전극

65a, 65b : 반도체 소자 66a, 66b : 수동부품

67 : 회로기판 68 : 기판 고정용 부품

69 : 케이스 70 : 반도체 모듈

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열전도 기판은 배선 패턴, 전기 절연층 및 방열판을 포함하고, 상기 전기 절연층이 무기질 필러 70∼95중량% 및 열경화성 수지를 5∼30중량% 포함하는 열전도 혼합물로 이루어지고, 외부 방열부재에 상기 방열판을 고정하여 사용되는 열전도 기판으로서, 상기 외부 방열부재에 대한 상기 열전도 기판의 부품 실장후의 실온에 있어서의 휘어짐 크기가 기판길이에 대해 1/500 이하이고, 상기 열전도 기판의 온도가 상승함에 따라 상기 열전도 기판의 휘어짐이 상기 방열판측으로 볼록하게 되는 방향으로 변화하는 것을 특징으로 한다. 상기에 있어서 실온이란 0℃∼40℃의 범위를 나타내는 것으로 한다.

다음에 본 발명의 반도체 모듈은 상기 열전도 기판에 회로기능을 가지므로 반도체 소자 및 수동부품이 탑재되고, 또한 상기 열전도 기판의 정점부분 및 변부분에서 선택되는 부분에 외부 방열부재에 고정하기 위한 커넥터를 구비한 것을 특징으로 한다. 상기 커넥터는 나사 고정 부재를 끼워 넣을 수 있는 구멍 형상이어도 되고, 다른 고정수단이어도 된다.

<발명의 실시 형태>

본 발명의 열전도 기판에 의하면, 열전도 기판에 탑재되어 있는 반도체 장치가 동작하여 온도가 상승된 경우라도, 기판이 외부 방열부재에 눌리게 된다. 그 결과, 기판과 외부 방열부재와의 접촉을 충분히 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 그 누르는 압력에 의해 열저항을 저하시키는 것도 가능하게 되어, 높은 방열성과 신뢰성을 구비할 수 있다. 또한, 방열판과 외부 방열부재의 표면상태에 따라서는, 통상 기판과 외부 방열부재와의 사이에 사용되는 방열성 혼합물이나 수지 시트와 같은 열전달 부재를 생략하는 것도 가능해진다.

또한, 본 발명의 열전도 기판은 상기 외부 방열부재에 대한 상기 열전도 기판의 부품 실장후의 실온에 있어서의 휘어짐 크기가 기판 길이에 대해 1/500 이하이다. 이 범위에 있는 경우, 기판을 외부 방열부재에 부착했을 시에, 그 사이의 간극이 충분히 작아져, 외부에의 열 방산성이 양호해진다.

또한, 본 발명의 열전도 기판은 상기 열전도 기판의 방열판의 선팽창 계수가 배선 패턴 및 전기 절연층의 평균 선팽창 계수보다 큰 것이 바람직하다. 이에 따라, 온도가 상승하면 방열판쪽이 배선 패턴 및 전기 절연층보다 치수의 신장이 커지고, 그 결과 열전도 기판의 휘어짐은 온도가 상승됨과 동시에 방열판측으로 볼록하게 된다. 그 결과, 온도 상승시의 기판으로부터 외부 방열부재에의 열방산성을 양호하게 하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 열전도 기판은 상기 열전도 기판의 방열판의 선팽창 계수(α1)가 전기 절연층의 유리 전이점 이하에서의 선팽창 계수(α2)보다 크고, 또한 상기 선팽창 계수(α2)가 배선 패턴의 선팽창 계수(α3)보다 큰 것이 바람직하다. 이에 의하면, 상술한 것과 마찬가지로, 온도가 상승하면 방열판쪽이 전기 절연층 및 배선 패턴보다 치수의 신장이 커지고, 또한 전기 절연층쪽이 배선 패턴보다 치수의 신장이 커지므로, 열전도 기판의 휘어짐은 온도가 상승함과 동시에 방열판측으로 볼록하게 되어 기판으로부터 외부 방열부재에의 열방산성을 양호하게 할 수 있다. 또한, α2는 α1과 α3의 사이에 대응하므로, 이 대소관계에 들어맞지 않은경우에 비해 각각의 층간에서의 선팽창 계수의 미스 매치에 의한 응력이 작게 되어, 그 결과 잘 파손되지 않는 고신뢰성의 기판을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 열전도 기판은 전기 절연층을 구성하는 열전도 혼합물의 실온에서의 탄성율이 50GPa 이하인 것이 바람직하다. 열전도 기판에 발생하는 휘어짐을 억제하도록 외부 방열부재에 고정되면, 열전도 기판에는 응력이 걸리고, 전기 절연층인 열전도 혼합물에 크랙이 발생하기 쉬워지는데, 이 예에 의하면 실사용시에 크랙이 발생하지 않아, 고신뢰성의 기판을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 열전도 기판은 전기 절연층에 보강재가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 또한 상기 보강재가 유리 부직포인 것이 바람직하다. 보강재가 포함되어 전기 절연층의 기계적 강도나 가공성이 향상되고, 또한 선팽창 계수의 큰 조정이 가능해진다. 특히 열전도율이나 비용, 기판 제조성의 점에서 상기 보강재는 유리 부직포인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 열전도 기판은 배선 패턴이 그 간극 부분까지 전기 절연층에 메워지고, 거의 면일한 표면으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 기판은 부품 실장이 용이하고, 또한 실장을 위한 땜납 레지스트 처리도 종래의 프린트 기판과 동일한 인쇄 공정이 가능하므로, 공업상 유리하다.

또한, 본 발명의 열전도 기판은 전기 절연층의 두께가 0.4mm 이상인 것이 바람직하다. 이에 의하면 방열판과 배선 패턴사이에 강화 절연이 실시되게 된다.

또한, 본 발명의 열전도 기판은 배선 패턴이 리드 프레임으로 이루어지고, 또한 외부단자로서 사용되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 열전도 기판은 방열판이 알루미늄, 동, 또는 이들을 주성분으로 하여 포함하는 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 반도체 모듈은 파워 모듈이고, 스위칭 전원 모듈, DC-DC 컨버터 모듈, 인버터 모듈, 역률 개선 모듈, 정류 평활 모듈로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종류인 것이 바람직하다. 이들 모듈은 전력 변환기능을 가지고 있고, 통상 취급하는 전력량이 크기 때문에 발열량이 크다. 또한 외부 방열부재에 고정하여 사용하는 경우가 많다. 이 때문에 본 발명의 열전도 기판을 사용하는 효과가 높아진다.

이하, 본 발명의 열전도 기판에 이러한 각 실시의 형태를, 도면을 이용하여 구체적으로 설명한다.

(실시 형태1)

도1은 본 발명의 일실시 형태인 열전도 기판의 구성을 도시하는 단면도이다. 이 기판은 배선 패턴으로서의 리드 프레임(11)과 전기 절연층(12)과 방열판(13)으로 구성된다. 전기 절연층(12)은 무기질 필러와 열경화성 수지를 포함하는 열전도 혼합물로 구성된다. 무기질 필러 비율은 70∼95중량%인 것이 바람직하고, 특히 85∼95중량%인 것이 보다 바람직하다. 무기질 필러의 배합비율이 이 범위보다 작은 경우, 기판의 방열성은 불량으로 된다. 또한, 무기질 필러 비율이 낮으면 전기 절연층(12)의 선팽창 계수가 커지고, 온도가 상승함에 따라 기판의 휘어짐이 방열판측으로 볼록하게 되는 작용을 얻을 수 없게 된다. 또한 이 범위보다 많은 경우에는 열전도 수지 조성물의 유동성이 저하하고, 배선 패턴(11)이나 방열판(13)과 일체화되는 것이 곤란해진다.

무기질 필러는 절연성이나 열전도성이 우수한 것부터 적절하게 선택하면 되는데, 특히 A1₂O₃, MgO, BN, Si₃N₄, AlN, SiO₂및 SiC에서 선택된 적어도 1종류의 분말을 주성분으로서 포함하는 것이 바람직하다. 이들 분말은 열전도성이 우수하고, 높은 열방산성을 가지는 기판을 제작하는 것이 가능하기 때문이다. 특히 A1₂O₃나 SiO₂를 이용한 경우, 열경화성 수지와의 혼합이 용이해진다. 또한 AlN을 이용한 경우, 열전도 기판의 열방산성이 특히 높아진다. 또한, 무기질 필러의 평균 입자직경은 0.1∼100㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 범위에서 벗어난 입자 직경의 경우, 필러의 충전성이나 기판의 방열성이 저하되는 경향으로 된다.

열전도 혼합물중의 열경화성 수지의 주성분으로는 예를들면 에폭시 수지, 페놀 수지 및 이소시아네이트 수지를 사용할 수 있고, 이들 수지에서 적어도 1종류를 선택해 이용하는 것이 바람직하다. 이들 수지는 각각 내열성이나 기계적 강도, 전기 절연성이 우수하기 때문이다. 열전도 혼합물의 제조방법으로는 각 원료를 칭량하여, 혼합하면 된다. 혼합 방법으로는 예를들면 볼 밀, 플래너터리 믹서, 또는 교반기를 사용할 수 있다.

전기 절연층의 실온에서의 탄성율로는 50GPa 이하인 것이 바람직하고, 특히 25GPa 이상 40GPa 이하인 것이 보다 바람직하다. 탄성율이 너무 높으면 전기 절연층이 약해지고, 기판의 온도 변화나 리플로우 납땜시에 응력이 증대하며, 크랙 등이 발생하기 쉬워지기 때문이다.

배선 패턴(11)으로는 도전율이 높은 금속이면 되지만, 예를들면 동, 철, 니켈, 알루미늄 혹은 이들을 주성분으로 하는 합금을 사용할 수 있고, 이들은 저항이 작은 점에서 바람직하다. 배선 패턴(11)의 패턴 형성방법은 특별히 한정되지 않고, 예를들면 에칭법이나 구멍을 뚫는 법을 사용할 수 있다. 또한 배선 패턴(11)의 표면이 니켈, 주석, 땜납, 금, 팔라듐에서 선택된 적어도 1종류의 금속 혹은 합금으로 도금되어 있는 것이 바람직하다. 이는 도금에 의해 배선 패턴(11)의 내식성이나 내산화성이 향상되고, 또한 열전도 수지 조성물과의 접착이 양호하게 되므로, 열전도 기판의 신뢰성이 향상되기 때문이다.

또한, 배선 패턴(11)의 열전도 수지 조성물과 접착하는 면이 거칠게 되어 있는 것이 바람직하다. 이는 접착 강도가 향상되고, 신뢰성이 향상되기 때문이다. 거칠게 하는 방법으로는 특별히 한정되지 않고, 블라스트 처리나 에칭 처리 등을 사용할 수 있다.

방열판(13)으로는 열전도도나 열팽창 계수에 따라 적절하게 선택하면 되는데, 예를들면 알루미늄이나 동, 철, 니켈에서 선택된 금속 혹은 그 합금판을 사용할 수 있고, 특히 알루미늄 또는 동이 바람직하다. 이들은 선팽창 계수가 높고, 온도가 상승함에 따라 기판의 휘어짐이 방열판측으로 볼록하게 되는 작용을 일으키기 쉽기 때문이다.

또한, 상기의 가열 가압시에는 열전도 혼합물이 리드 프레임의 간극 부분까지 충전되어 거의 면일한 표면으로 되는 것이 바람직하다. 면일하게 됨으로써, 기판표면의 레벨링 처리나 땜납 레지스트 처리라는 후가공이 용이해지고, 또한 회로패턴간에 부품 실장할 때의 실장성이 양호해 지기 때문이다.

또한, 전기 절연층의 두께(배선 패턴-방열판간의 두께)는 0.4mm 이상인 것이 바람직하다. 이 경우 배선 패턴과 방열판간에 강화 절연이 실시되고, 파워 일렉트로닉스 분야에서 사용되는 기판으로서 적합하게 되기 때문이다.

도2A-B는 도1에 도시한 본 발명의 일실시 형태인 열전도 기판의 제조방법을 도시하는 공정별 단면도이다. 도2A에서 21은 배선 패턴이 되는 리드 프레임이고, 22는 무기질 필러 70∼95중량% 및 열경화성 수지를 포함하는 열전도 혼합물이며, 23은 방열판이다. 이들을 도2A에 도시하는 바와같이 중첩시켜 가열 가압하면, 도2B에 도시하는 바와같이 리드 프레임(21)의 간극 부분까지 열전도 혼합물(22)이 충전되어 거의 면일한 표면으로 됨과 동시에, 열전도 혼합물(22)중의 열경화성 수지가 경화되어 단단한 전기 절연층(24)으로 된다. 동시에 전기 절연층(22)과 방열판(23)은 접착되고, 열전도 기판(25)이 얻어진다. 또한, 이 후 필요에 따라 땜납 레지스트 인쇄, 리드 프레임 절단, 단자 처리나 부품의 납땜 등이 행해진다. 상기 땜납 레지스트 인쇄의 방법으로는 예컨대 땜납 레지스트 잉크를 스크린 인쇄법으로 인쇄하고, 경화시키는 방법을 사용할 수 있다. 땜납 레지스트 잉크로는 예컨대 시판의 열경화 잉크를 사용할 수 있다. 상기 프레임 컷은 연결되어 있는 외부단자를 분할하기 위해 행하는 것으로, 예컨대 금형에 의한 절단이나 전단(shearing)에 의한 절단이라는 방법을 사용할 수 있다. 상기 단자 처리를 이용한 방법으로는 절단된 단자를 외부 단자로서 사용하기 위한 처리가 포함되고, 예컨대 단자의 구부림이나 도금을 들 수 있다.

본 실시의 형태와 같이, 배선 패턴으로서 리드 프레임을 사용하는 것은 배선 패턴을 두껍게 할 수 있어 전기 저항에 의한 손실을 저감할 수 있으므로 바람직하고, 또한 배선 패턴의 일부를 그대로 외부 인출 단자로서 이용할 수 있으므로, 별도로 외부 인출 단자를 접속할 필요가 없는 것, 및 접속저항에 의한 손실이 발생하지 않는 점에서도 바람직하다.

(실시 형태2)

도3A-C은 본 발명의 또 다른 일 실시형태인 열전도 기판의 제조방법을 도시하는 공정별 단면도이다. 도3A에서 31은 금속박이고, 32는 실시의 형태1과 동일한 열전도 혼합물이며, 33은 실시 형태1과 동일한 방열판이다. 이들을 도3A에 도시하는 바와같이 포개어 가열 가압하면, 도3B에 도시하는 바와같이 열전도 혼합물(32)중의 열경화성 수지가 경화되어 전기 절연층(34)으로 되고, 금속박(31) 및 방열판(33)과 접착하여 일체화된다. 그 후 도3C에 도시하는 바와같이 금속박(31)을 패터닝하여 배선 패턴(35)으로 하여, 열전도기판(36)이 완성된다. 또한, 이 후 필요에 따라 땜납 레지스트 인쇄, 외부 인출 단자나 부품의 납땜 등이 행해지는데, 이들은 종래 공지의 기술로 행할 수 있다.

금속박으로는 실시 형태1과 마찬가지로 도전율이 높은 금속이면 되는데, 예를들면 동, 철, 니켈, 알루미늄 혹은 이들을 주성분으로 하는 합금을 사용할 수 있고, 이들은 전기 저항이 작은 점에서 바람직하다. 또한, 패터닝 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를들면 화학 에칭에 의한 방법을 사용할 수 있다.

(실시 형태3)

도4A-E는 본 발명의 또 다른 일 실시형태인 열전도 기판의 제조방법을 도시하는 공정별 단면도이다. 도4A에서 이형(離型) 필름(43)상에 접착층(42)을 통하여 금속박(41)이 접착되어 있다. 이 금속박(41)을 도4B에 도시하는 바와같이 패터닝하여 배선 패턴(44)을 제작하고, 이를 반대 방향으로 하여, 도4C에 도시하는 바와같이 실시 형태1과 동일한 열전도 혼합물(45) 및 방열판(46)과 이 순서로 배선 패턴(44)이 열전도 혼합물(45)에 접하도록 하여 포갠다. 이를 가열 가압함으로써, 도4D에 도시하는 바와같이 열전도 혼합물(45)중의 열경화성 수지가 경화되어 전기 절연층(47)으로 되고, 동시에 배선 패턴(44)과 방열판(46)이 접착되어 일체화된다. 그 후 이형 필름(43) 및 접착층(42)을 제거하여, 도4E에 도시하는 열전도 기판(48)이 완성된다. 또한, 이 경우도 필요에 따라 이 후 땜납 레지스트 인쇄, 외부 인출 단자나 부품의 납땜 등이 행해지는데, 이들은 종래 공지의 기술로 행할 수 있다.

이형 필름(41)으로는 가열 가압에 견딜 수 있고, 그 후 제거하는 것이 가능하면 되고, 예를들면 PPS(폴리페닐렌 술파이드), PPE(폴리페닐렌 에테르) 등의 합성 수지 필름이나 동박, 알루미늄박 등의 금속박을 사용할 수 있다. 또한, 접착층(42)으로는 도4B에 도시한 패터닝시에 금속박(41)이 박리되지 않고, 또한 도4E에 도시한 공정에서 박리 제거할 수 있으면 되고, 예를들면 우레탄계 접착제, 에폭시계 접착제 등의 유기 접착제나, 니켈인층 등의 금속층을 사용할 수 있다.

패터닝 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를들면 화학 에칭에 의한 방법을 사용할 수 있다. 또한, 도4D에 도시한 가열 가압시에는 열전도 혼합물(45)이 충전되어 배선 패턴(44)의 단면 부분을 덮고 있는 것이 바람직하고, 또한 도1에서 도시한것과 마찬가지로, 열전도 혼합물(45)이 배선 패턴(44)의 패턴간에 그 표면까지 충전되어 거의 면일하게 되는 것이 보다 바람직하다. 이는 면일하게 됨으로써, 기판 표면의 레벨링 처리나 땜납 레지스트 처리라는 후가공이 용이하게 되고, 또한 회로 패턴간에 부품 실장할 때의 실장성이 양호해 지기 때문이다. 또한 회로 패턴과 전기 절연층간의 접착력이 향상되기 때문이다.

(실시 형태4)

도5A-G는 본 발명의 또 다른 일 실시형태인 열전도 기판의 제조방법을 도시하는 공정별 단면도이다. 도5A에서 열전도 혼합물(52)의 양측에 상기의 실시예와 동일한 금속박(51)을 준비한다. 이들을 가열 가압하여 열전도 혼합물을 경화시켜 전기 절연층(53)으로 하고, 도5B에 도시하는 금속박(51) 부착 양면판을 제작한다. 다음에 이 양면판에 도5C에 도시하는 것과 같은 관통 구멍(54)을 형성하고, 도5D에 도시하는 바와같이 관통 구멍(54)에 도금을 실시하여 스루 홀(55)을 제작한다. 이 후, 도5E에 도시하는 바와같이 양면의 금속박(51)을 패터닝하여 배선 패턴(56)을 제작하고, 양면 배선 기판(57)을 제작한다. 다음에 이 양면 배선 기판(57)과 열전도 혼합물(52) 및 실시 형태1과 동일한 방열판(58)을 도5F에 도시하는 바와같이 이 순서대로 포개어 가열 가압하면, 도5G에 도시하는 바와같이, 열전도 혼합물(52)이 경화됨과 동시에 양면 배선기판(57)과 방열판(58)이 일체화되고, 배선 패턴(56)을 2층을 가진 열전도 기판(59)이 완성된다. 또한, 이 경우도 필요에 따라 이 후 납땜 레지스트 인쇄, 외부 인출 단자나 부품의 납땜 등이 행해지는데, 이들은 종래 공지의 기술로 행할 수 있다.

도금 방법으로는 공지의 기술로 행해지는 것이면 되고, 예를들면 전해 동 도금이나 무전해 동 도금을 사용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는 양면판의 층간 접속 방법으로서 도금 스루 홀을 사용하고 있는데, 반드시 이 방법에 의할 필요는 없고, 예를들면 도전성 페이스트에 의한 비어 형성, 금속 포스트에 의한 층간 접속 등의 방법을 사용할 수 있다.

또한, 패터닝 방법으로는 실시의 형태3과 동일한 방법을 사용할 수 있다.

(실시 형태5)

도6A는 본 발명의 일실시 형태에 있어서의 반도체 모듈의 구성을 도시하는 단면도이고, 도6B는 그 외관 평면도이다. 도6A에서 열전도 기판으로는 도1에 도시한 것과 동일한 것을 사용하고 있고, 61은 방열판, 62는 배선 패턴, 63은 전기 절연층이다. 배선 패턴(62)의 단부분은 절단되고, 구부려져 외부 인출 전극(64)으로서 사용된다. 상기의 열전도 기판상에 반도체 소자(65a) 및 수동 부품(66a)이 실장되어 있다.

또한, 별도의 회로기판(67)상에도 반도체 소자(65b) 및 수동부품(66b)이 실장되어 있어, 제어 회로를 형성하고 있다. 이 회로기판(67)은 외부 인출 전극(64)에 삽입되고, 열전도 기판상의 회로와 접속되어 있다. 도6B에서 도시하는 바와같이, 방열판(61)의 네모퉁이에는 외부 방열부재에 고정하기 위한 관통 구멍이 형성된 기판 고정용 부품(68)이 부착되어 있고, 이들 회로를 보호하기 위한 케이스(69)가 회로기판 및 부품을 덮도록 하여 부착되어 반도체 모듈(70)을 구성하고 있다.

상기의 회로기판(67)은 특별히 한정되지 않고, 예를들면 유리 에폭시 기판이나 종이 페놀 기판 등 일반적으로 이용되는 프린트 배선판을 사용할 수 있다. 또한 반도체 소자 및 수동부품의 실장방법으로는 특별히 한정되지 않고, 예를들면 납땜에 의한 방법이나 와이어·본딩에 의한 방법 등을 사용할 수 있다.

케이스(69)로는 외부 인출 전극(64)간의 전기적 절연이 유지되면 되고, 예를들면 PC(폴리카보네이트)나 PPS(폴리페닐렌술파이드) 등의 성형체를 사용할 수 있다. 또한 원하는 바에 따라 회로의 기밀성이나 열방산성을 높이기 위해, 케이스 내부를 봉지해도 된다. 봉지 재료로는 예를들면 실리콘이나 우레탄을 사용할 수 있다. 단, 부품이나 단자간의 절연성을 유지할 수 있으면 반드시 케이스를 사용할 필요는 없다.

기판 고정용 부품(68)으로는 도6A-B에서 도시한 것과 같은 관통 구멍을 형성한 포스트 형상의 부품에 한정되지 않고, 예를들면 나사 구멍을 형성한 포스트 형상 부품 등을 사용할 수 있다. 또한 반도체 모듈이 그 단부 또는 변부에서 외부 방열부재에 고정될 수 있으면 반드시 기판 고정용 부품을 탑재할 필요는 없고, 예를들면 방열판에 관통 구멍을 형성하거나, 절결을 형성해도 된다.

상기의 각 실시 형태에 있어서, 본 발명의 작용을 발휘시키기 위해, 외부 방열부재에 대한 열전도 기판의 부품 실장 후의 실온에서의 휘어짐 크기가 기판 길이에 대해 1/200 이하인 것이 바람직하고, 특히 1/500 이하인 것이 보다 바람직하다. 통상, 외부 방열부재의 기판과의 접촉면은 평면인 것이 많고, 그 경우에는 평면에 대한 휘어짐과 비슷해 외부 방열부재에 대한 휘어짐으로 치환하는 것이 가능하다. 휘어짐을 제어하는 수단으로는 예를들면 기판 제작의 가열 가압공정에서 금형을 이용하여 그 형상을 규제하는 방법이나, 가압한 채로 가열상태에서 실온상태로 냉각하는 방법, 가열 가압공정의 후에 더 가압하면서 소둔하는 방법 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 각 실시 형태에 있어서, 본 발명의 작용을 발휘하게 하기 위해, 배선 패턴, 전기 절연층 및 방열판은 이들 선팽창 계수의 대소에 따라 적절히 선택하지 않으면 안된다. 이 선택방법으로는 방열판의 선팽창 계수가 배선 패턴 및 절연층의 평균 선팽창 계수보다 큰 것이 바람직하고, 특히 방열판의 선팽창 계수(α1)가 전기 절연층의 유리 전이점 이하에서의 선팽창 계수(α2)보다 크고, 또한 상기 선팽창 계수(α2)가 배선 패턴의 선팽창 계수(α3)보다 큰 것이 보다 바람직하다. 방열판의 선팽창 계수가 배선 패턴 및 절연층의 평균 선팽창 계수보다 큰 경우에는, 선팽창 계수의 차이에 의해 온도가 상승함에 따라 열전도 기판의 휘어짐이 방열판측으로 볼록하게 되는 방향으로 변화하기 쉽기 때문이다. 이 경우의 평균 선팽창 계수란, 배선 패턴 및 전기 절연층의 각각의 선팽창 계수를 각각의 층의 두께로 가중 평균한 것을 가리킨다. 또한, 방열판의 선팽창 계수(α1)가 전기 절연층의 유리 전이점 이하에서의 선팽창 계수(α2)보다 크고, 또한 상기 선팽창 계수(α2)가 배선 패턴의 선팽창 계수(α3)보다 큰 경우에는 선팽창 계수의 차이에 의해 온도가 상승함에 따라 열전도 기판의 휘어짐이 방열판측으로 볼록하게 되는 방향으로 변화되기 쉬울 뿐만 아니라, 방열판과 배선 패턴간의 열팽창 계수차에 의해 전기 절연층에 발생하는 응력이 비교적 작게 되어, 응력에 의해 발생하는 전기 절연층의 크랙이나 전기 절연층과 배선 패턴 또는 방열판간의 박리의 발생을 막아,신뢰성 높은 열전도 기판을 제작할 수 있다.

상기의 선택을 하는데 있어서, 방열판은 알루미늄, 동, 또는 이들중 적어도 1종을 주성분으로 하는 합금인 것이 바람직하다. 이들은 기계적 강도에 뛰어나 열전도율이 높을 뿐만 아니라, 비교적 열팽창 계수가 크기 때문에, 온도가 상승함에 따라 열전도 기판의 휘어짐이 방열판측으로 볼록하게 되는 방향으로 변화시키기 쉽고, 또한 배선 패턴이나 전기 절연층의 선택이 용이해지기 때문이다.

상기의 각 실시 형태에 있어서, 열전도 혼합물은 시트형상으로 가공되어 있는 것이 바람직하다. 취급이 용이하게 되어, 가열 가압하여 배선 패턴 및 방열판과 일체화시키는 것이 용이하기 때문이다. 시트형상으로 가공하는 방법으로는 예를들면 닥터 블레이드법, 코우터법, 압출 성형법을 사용할 수 있다.

또한, 상기 각 실시의 형태에 있어서, 전기 절연층에 보강재가 포함되어 있어도 되고, 절연층의 강도나 가공성이 향상되는 점 및 보강재를 포함함으로써 선팽창 계수를 제어할 수 있는 점에서 바람직하다. 보강재로는 예를들면 유리 직포, 유리 부직포, 세라믹 부직포, 아라미드 부직포를 사용할 수 있고, 열전도율이 높은 이유로 유리 직포, 유리 부직포, 세라믹 부직포가 바람직하다. 또한 배선 패턴을 전기 절연층에 메우는 것이 용이한 점에서 유리 부직포가 보다 바람직하다.

<실시예>

이하, 구체적 실시예에 따라, 본 발명의 열전도 기판과 그 제조방법을 더 상세하게 설명한다.

(실시예1)

본 발명의 실시에 이용하는 열전도 혼합물을 제작하기 위해, 무기질 필러와 열경화성 수지 조성물을 혼합하여 슬러리상으로 가공했다. 혼합한 열전도 혼합물의 조성을 이하에 표시한다.

(1) 무기질 필러: A1₂O₃(AS-40, 쇼와전공(주)제, 평균 입자직경 12㎛) 89중량%

(2) 열경화성 수지: 브롬화된 다관능 에폭시 수지(NVR-1010, 일본 렉(주)제, 경화제 포함) 10중량%

(3) 그 밖의 첨가물: 경화 촉진제(이미다졸, 일본 렉(주)제) 0.05중량%, 카본 블랙(동양 카본(주)제) 0.4중량%, 커플링제(플랜앵트 KR-46B, 아지노모토(주)제) 0.55중량%

이들 재료에 용제로서 메틸에틸케톤(MEK)을 첨가하여 교반 탈포기(松尾산업(주) 제)로 혼합했다. MEK를 첨가함으로써 혼합물의 점도가 저하되어 슬러리상으로 가공하는 것이 가능하게 되는데, 그 후의 건조공정에서 비산시키기 때문에 배합조성에는 포함되어 있지 않다.

이 슬러리를 이용하여, 닥터 블레이드법에 의해, 표면에 이형 처리를 실시한 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(PET)의 이형 필름상에 막을 제조했다. 그 후, 90℃에서 건조를 행하여, 용제를 비산시켜 시트형상의 열전도 혼합물을 제작했다.

방열판으로서 두께 1㎜의 동판(선팽창 계수 17ppm/℃)을 준비했다. 또한, 배선 패턴으로서 두께 0.5㎜의 동판을 시판의 에칭액을 이용하여 에칭하여 패턴을 형성한 리드 프레임을 준비했다.

도2A에 도시한 것과 마찬가지로 리드 프레임, 열전도 혼합물 및 방열판을 의 순서로 포개어, 170℃, 5Pa의 온도와 압력으로 15분간 가열 가압했다. 이에 따라, 열전도 수지 조성물이 리드 프레임의 표면까지 유동됨과 동시에, 그 속에 포함되는 열경화성 수지가 경화되어 단단하게 되고, 도2B에 도시하는 것과 같은 두께 2.0㎜의 기판(전기 절연층의 두께 0.5㎜)을 제작했다.

또한, 그 후, 질소 분위기중 175℃에서 6시간 열처리를 행하여, 열경화성 수지의 경화를 진행시켜 열전도 기판을 완성시켰다. 이 후, 열경화성 땜납 레지스트 잉크를 스크린 인쇄법에 의해 인쇄한 후, 리플로우 납땜에 의한 부품 실장을 행했다. 부품 실장 후의 기판의 휘어짐을 측정한 바, 길이 100㎜에 대해 0.05∼0.12㎜의 휘어짐이었다.

이 때, 열전도 혼합물의 무기질 필러와 열경화성 수지의 비율을 바꿔 (열경화성 수지와 그 밖의 첨가물과의 비율은 일정하게 하고) 수지 열전도 혼합물을 제작하고, 이들을 이용하여 상기와 같은 방법으로 실험번호 a∼f의 각 기판을 제작했다. 또한, 시트형상의 각 열전도 혼합물만을, 두께 갭을 0.4㎜로 일정하게 한 평판으로 상기와 동일한 온도, 압력으로 경화시켜, 전기 절연층의 물성 측정용 시료로서 공급했다.

실시예1(실험번호 a∼f)의 기판 및 물성 평가용 시료에 대해, 선팽창 계수 및 열저항을 측정했다. 그 결과를 표1에 표시한다. 또한 기판 휘어짐의 온도변화를 도8에 표시한다.

<표1>

선팽창 계수는 열기계 분석장치(TMA ; Thermal Mechanical Analyzer, 세이코·인스트루먼츠사 제)를 이용하여 측정했다. 또한 기판 휘어짐 온도 변화는 기판을 상온조에서 가열한 후, 열 전대에서 온도를 모니터하면서 레이저식 표면 거칠기계(Rodenstock사 제)로 기판 중앙의 100mm의 길이를 측정하고, 그 양단을 연결해 가장 휘어짐이 큰 부분의 거리를 휘어짐의 크기로 했다. 열저항 측정에는 열저항 측정장치(캣츠 전자 설계 제)를 이용했다. 측정방법으로는 상기의 각 기판상에 반도체(TO-220 패키지)를 납땜하고, 기판의 방열판에 열전도 혼합물(도레이·실리콘사 제)을 칠하여, 방열판의 네모퉁이를 핀 부착 히트 싱크에 나사 고정하여 고정했다. 그 후 반도체에 50W의 전력을 부여하고, 반도체의 베이스 에미터(Base-Emitter)간의 전압을 모니터하여 전압의 온도특성에서 반도체의 온도를 구하고, 여기에서 열저항을 구하는 것이다. 단, 이 때의 반도체 접합 바로 아래의 기판온도는 실험번호 c의 기판에서 110℃ 였다.

표1 및 도8의 결과로부터, 무기질 필러 비율을 변화시키면, 즉 전기 절연층의 선 팽창 계수를 변화시키면 휘어짐의 온도 특성이 변화하고, 방열판의 선팽창 계수(17ppm/℃)와의 상대적인 차이에 의해 휘어짐의 온도변화의 방향에 차이가 생기는 것을 알 수 있다. 또한, 이 때에 방열판측에서 봐서 오목 방향으로 휘어짐이 변화하는 기판의 경우, 그렇지 않은 경우에 비해 열저항이 증대하는 것을 알 수 있다.

(실시예2)

실시예1에서 제작한 것과 같은 방법으로 열전도 혼합물을 제작했다. 혼합한 열전도 혼합물의 조성을 이하에 도시한다.

(1) 무기질 필러 : A1₂O₃(AS-40, 쇼와전공(주)제, 평균 입자직경 12㎛) 88중량%

(2) 열경화성 수지 : 에폭시 수지(XNR 5002, 나가세 치바(주) 제) 11.5중량%

(3) 기타 첨가물 : 실란계 커플링제(A-187, 일본 유니커(주)제) 0.3중량%, 카본 블랙(동양 카본(주) 제) 0.2중량%

상기의 재료를 혼합한 후, MEK를 추가하여 점도를 저하시킨 후, 실시예1과 동일하게 하여 PET 필름상에 막을 제조하고, 시트형상의 열전도 경화물을 제작했다.

다음에, 상기의 혼합물 슬러리를 유리 부직포(단위 중량 : 50g/㎡, 두께: 0.2mm)에 함침시키고, 그 후 120℃에서 건조시키고 용제를 비산시켜 보강재가 들어간 열전도 경화물 시트를 제작했다.

방열판으로서 두께 1mm의 알루미늄판(선팽창 계수 23ppm/℃)을 준비했다. 또한, 배선 패턴으로서 두께 0.5㎜의 동판을 공지의 방법으로 에칭하여 패턴을 형성하고, 니켈 도금을 실시한 리드 프레임을 준비했다.

방열판, 열전도 혼합물, 배선 패턴을 실시예1과 동일하게 포개어, 170℃ 5Pa의 온도와 압력으로 60분간 가열 가압함으로써, 도1에 도시하는 것과 같은 두께 2.5㎜(전기 절연층의 두께 1.0㎜)의 기판을 제작했다. 또한 실시예1과 동일하게 열전도 혼합물만을 경화시켜, 전기 절연층의 물성 측정용 시료를 제작했다.

전기 절연층의 선팽창 계수를 측정한 바, 보강재가 없는 경우는 20ppm/℃, 보강재가 있는 경우는 13ppm/℃였다. 이들 기판의 휘어짐 온도변화를 측정한 결과를 도9에 도시한다. 이 도면에서 선팽창 계수에 대응하여 열전도 기판의 휘어짐이 온도 상승과 동시에 방열판측으로 볼록하게 변화하고 있는 것을 알 수 있다.

신뢰성의 평가로서, 이들 기판의 네모퉁이를 두께 30㎜의 알루미늄 히트 싱크에 나사 고정하고, -55∼125℃의 온도 사이클 시험을 행했다. 그 결과, 보강재가 없는 기판에서는 2000 사이클 후에도 기판에 크랙이 발생하지 않았지만, 보강재가 있는 기판에서는 1500 사이클 정도에서 배선 패턴과 전기 절연층간에 박리가 발생했다. 이로부터, 방열판의 선팽창 계수가 전기 절연층의 선팽창 계수보다 크고, 또한 상기 선팽창 계수가 배선 패턴의 선팽창 계수(α3)보다 큰 쪽이 보다 고신뢰성인 것을 알 수 있다.

(실시예3)

본 발명의 실시에 이용하는 열전도 혼합물을 제작하기 위해, 무기질 필러와열경화성 수지 조성물을 혼합하여 슬러리상으로 가공했다. 혼합한 열전도 혼합물의 조성을 이하에 나타낸다.

(1) 무기질 필러 : A1₂O₃(AL-33, 스미토모화학(주) 제, 평균 입자직경 12㎛) 89중량%

(2) 열경화성 수지 : 브롬화된 다관능 에폭시 수지(NVR-1010, 일본 렉(주) 제, 경화제 포함) 10중량%

(3) 그 밖의 첨가물 : 경화 촉진제(이미다졸, 일본 렉(주) 제) 0.05중량%, 카본 블랙(동양 카본(주) 제) 0.4중량%, 커플링제(플랜앵트 KR-46B, 아지노모토(주) 제) 0.55중량%

이들 재료에 용제로서 메틸에틸케톤(MEK)을 첨가하여 교반 탈포기(松尾산업(주) 제)로 혼합하여, 실시예1의 경우와 동일하게 하여 이형 필름상에 열전도 혼합물을 막 제조하여 시트형상의 열전도 혼합물을 제작했다.

또한, 상기 조성의 열경화성 수지의 일부를 가용성 에폭시 수지(YD-171, 東都化成 제)로 치환하여, 상기와 동일하게 하여 시트형상의 열전도 혼합물(3a∼3d)을 제작했다.

방열판으로서, 두께 0.5㎜의 알루미늄판을 준비하고, 배선 패턴으로서 두께 0.2㎜의 동박을 준비했다. 방열판과 각각의 시트형상의 열전도 혼합물 및 동박을 포개어, 실온보다 상승시켜 최고온 175℃, 5Pa의 온도압력에서 1hr 가열 가압하고, 도3B에 도시하는 바와같이 동박과 방열판을 일체화했다. 이 후, 동박상에 에칭 레지스트막을 도포하고, 회로 패턴의 마스크를 덮어 자외선 노광하고, 현상, 염화 동에 의한 에칭, 레지스트 박리의 공정을 거쳐 도3C에 도시하는 열전도 기판이 완성되었다. 또한, 실시 형태1 및 2와 동일하게 하여 열전도 혼합물만을 경화시키고, 물성 평가용의 시료로서 제공했다.

각 전기 절연층의 40℃에서의 탄성율을 평가했다. 또한 신뢰성을 확인하기 위해, 각 기판을 260℃의 납땜욕에 1분간 침지시키고, 그 후의 전기 절연층의 변화를 확인했다. 이들 결과를 표2에 표시한다. 탄성율 평가는 DMA 장치(Dynamic Mechanical Analyzer, 세이코·인스트루먼츠 제)를 이용하여 측정했다.

<표2>

표2의 결과에서 가요성 에폭시를 첨가함에 따라 열전도 혼합물의 탄성율이 저하하는 것을 알 수 있다. 또한 땜납 딥 시험후의 관찰에 의하면, 가요성 에폭시를 치환하지 않고 탄성율이 높은 기판만 전기 절연층에 크랙이 발생했다. 이로부터, 실온에 있어서의 탄성율이 50GPa 이하인 경우, 기판의 신뢰성이 높아지는 것을 알았다.

이상, 설명한 바와같이, 본 발명에 의하면 배선 패턴, 전기 절연층 및 방열판을 적어도 포함하는 회로기판으로서, 온도가 상승함에 따라 기판의 휘어짐이 방열판측으로 볼록하게 되는 방향으로 변화하는 열전도 기판을 얻을 수 있다. 이 작용에 의해 열전도 기판을 이용한 반도체 모듈의 동작시에 온도가 상승해도 모듈로부터 외부 방열부재로의 열방산성이 손상되지 않고, 높은 방열성을 가진 열전도 기판을 실현할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 고온시의 휘어짐이나 전기 절연층에 발생하는 응력에 의해 기판의 크랙이나 박리가 발생하기 어려워 고신뢰성 기판을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 열전도 기판을 이용함으로써, 방열성이 우수해 고신뢰성인 반도체 모듈을 얻을 수 있다.

Claims

배선 패턴, 전기 절연층 및 방열판을 포함하고, 상기 전기 절연층이 무기질 필러 70∼95중량% 및 열경화성 수지를 5∼30중량% 포함하는 열전도 혼합물로 이루어지고, 외부 방열부재에 상기 방열판을 고정하여 사용되는 열전도 기판에 있어서,

상기 외부 방열부재에 대한 상기 열전도 기판의 부품 설치후의 실온의 휘어짐 크기가 기판길이에 대해 1/500 이하이고, 상기 열전도 기판의 온도가 상승함에 따라 상기 열전도 기판의 휘어짐이 상기 방열판측으로 볼록하게 되는 방향으로 변화하는 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
제1항에 있어서, 방열판의 선팽창 계수가 배선 패턴 및 전기 절연층의 평균선팽창 계수보다 큰 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
제1항에 있어서, 방열판의 선팽창 계수(α1)가 전기 절연층의 유리 전이점 이하에서의 선팽창 계수(α2)보다 크고, 또한 상기 선팽창 계수(α2)가 배선 패턴의 선팽창 계수(α3)보다 큰 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
제1항에 있어서, 상기 전기 절연층을 구성하는 상기 열전도 혼합물의 실온에서의 탄성율이 50GPa 이하인 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
제1항에 있어서, 상기 전기 절연층에 보강재가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
제5항에 있어서, 상기 보강재가 유리 부직포인 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
제1항에 있어서, 상기 배선 패턴이 그 간극 부분까지 전기 절연층에 메워지고, 거의 면일한 표면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
제1항에 있어서, 상기 전기 절연층의 두께가 0.4mm 이상인 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
제1항에 있어서, 상기 배선 패턴이 리드 프레임으로 이루어지고, 또한 외부단자로서 사용되는 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
제1항에 있어서, 상기 방열판이 알루미늄, 동, 또는 이들중 적어도 1종류를 주성분으로서 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도 기판.
배선 패턴, 전기 절연층 및 방열판을 포함하고, 상기 전기 절연층이 무기질 필러 70∼95중량% 및 열경화성 수지를 5∼30중량% 포함하는 열전도 혼합물로 이루어지고, 외부 방열부재에 상기 방열판을 고정하여 사용되며, 상기 외부 방열부재에 대한 상기 열전도 기판의 부품 실장후의 실온에 있어서의 휘어짐 크기가 기판 길이에 대해 1/500 이하이고, 상기 열전도 기판의 온도가 상승함에 따라 상기 열전도 기판의 휘어짐이 상기 방열판측으로 볼록하게 되는 방향으로 변화하는 열전도 기판에, 회로기능을 가지기 위한 반도체 소자 및 수동부품이 탑재되고, 또한 상기 열전도 기판의 정점부분 및 변부분에서 선택되는 부분에 상기 외부 방열부재에 고정하기 위한 커넥터를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제11항에 있어서, 방열판의 선팽창 계수가 배선 패턴 및 전기 절연층의 평균 선팽창 계수보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제11항에 있어서, 방열판의 선팽창 계수(α1)가 전기 절연층의 유리 전이점 이하에서의 선팽창 계수(α2)보다 크고, 또한 상기 선팽창 계수(α2)가 배선 패턴의 선팽창 계수(α3)보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제11항에 있어서, 상기 전기 절연층을 구성하는 상기 열전도 혼합물의 실온에서의 탄성율이 50GPa 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제11항에 있어서, 상기 전기 절연층에 보강재가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제15항에 있어서, 상기 보강재가 유리 부직포인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제11항에 있어서, 상기 배선 패턴이 그 간극부분까지 전기 절연층에 메워지고, 거의 면일한 표면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제11항에 있어서, 상기 전기 절연층의 두께가 0.4mm 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제11항에 있어서, 상기 배선 패턴이 리드 프레임으로 이루어지고, 또한, 외부단자로서 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제11항에 있어서, 상기 방열판이 알루미늄, 동, 또는 이들중 적어도 1종류를 주성분으로 하여 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
제11항에 있어서, 상기 반도체 모듈이 스위칭 전원 모듈, DC-DC 컨버터 모듈, 인버터 모듈, 역률 개선 모듈 및 정류 평활 모듈에서 선택된 적어도 1종류의 파워 모듈인 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.