JP2009064806A - 回路基板及びその製造方法並びに半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 金属板の周縁部の形状を変更して、モールドの際の樹脂と金属板の密着力を向上させ耐久性を向上させるとともに、金属板の周縁部の形状の製造方法を変更して、安価で、寸法精度が良い回路基板とその製造方法及び半導体モジュールを得るものである。
【解決手段】 回路基板１は、片面の周縁の角が湾曲状に除かれている金属板２を備えたものである。また、金属板２と絶縁層３と電極４を圧着後、基板両面のレジストパターニングを行って、エッチングにより電極パターンと同時に金属板２の周縁部の溝を作製し、その後、溝に沿った切削加工又は打ち抜き加工をし複数個に分割する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、パワー半導体モジュール用の回路基板及びその製造方法並びに半導体モジュールに関するものである。

従来の樹脂モールド用回路基板と電子パッケージにおいては、トランスファーモールド樹脂と金属板の密着性を向上させるため、金属板のリードフレームが設けられていない側の面の周縁部に段差を設けている。また、周縁部に段差を設けた金属板と絶縁層とリードフレームを真空プレスで圧着している。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１９６４９５号公報（００１３、００１９段落、第１図）

従来の回路基板は、金属板の周縁部の段差が矩形形状をしているために、モールド樹脂が段差の隅まで回り込まない場合があり、樹脂と金属板の密着力が低下するという欠点があった。そのため、半導体モジュールに成形するとヒートサイクル等によって剥離し耐久性が劣化するという問題があった。また、周縁部の段差は、一般的には切削加工か、プレス等の圧力による変形を用いて製造する。しかし、切削加工ではコスト高になるといった欠点がある。一方、コストの安いプレス等の圧力による変形では、押し潰す量が増えるほど、金属板の変形量や歪が大きくなり製品の寸法精度が低下するといった問題もあった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、第１の目的は、金属板の周縁部の形状を変更して、モールドの際の樹脂と金属板の密着力を向上させる回路基板を得るものである。

また、第２の目的は、金属板の周縁部の形状の製造方法を変更して、安価で、寸法精度が良い回路基板の製造方法を得るものである。

また、第３の目的は、この回路基板を用いて耐久性に優れた半導体モジュールを得るものである。

この発明に係る回路基板と半導体モジュールは、片面の周縁の角が湾曲状に除かれている金属板を備えたものである。

また、この発明に係る回路基板の製造方法は、金属板と絶縁層と電極層を圧着後、基板両面のレジストパターニングを行って、エッチングにより電極パターンと同時に金属板の溝を作製し、その後、溝に沿った切削加工又は打ち抜き加工をして複数個に分割するものである。

この発明に係る回路基板と半導体モジュールは、金属板の周縁の角が湾曲状に除かれているので、モールドの際、樹脂が隅まで回り込み、樹脂と金属板の密着力が向上し、耐久性が向上する。また、この発明に係る回路基板の製造方法は、エッチングによって電極パターンを形成する従来の工程を利用して溝を作成するので、新工程の追加が不必要となり、安価に製造できる。また、基板の変形や歪が無く溝を作製できるので、寸法精度を良くする事ができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における回路基板の断面図を示すものである。回路基板１は、金属板２の片面の周縁部の角が湾曲状に除かれており、湾曲した連続面を持つ凹部５を有する。また、その反対面上には絶縁層３と、この上に設けられた電極４を備えている。金属板２は放熱性に優れる金属であれば銅やアルミニウムなど特に限定されるものではないが、銅は熱伝導率に優れており、エッチングにより凹部形成も可能であるため、銅が好ましい。

放熱を特に要するパワー半導体モジュール用回路基板として用いる場合においては、金属板２や電極４の厚さを厚くすることによって放熱性を高める必要がある。図２は１０×１０ｍｍのサイズのパワー半導体チップを５０×５０ｍｍの回路基板に取付後、モールドしてパワー半導体モジュールとした時、金属板として銅板を用いた時の熱抵抗の一例を示す。横軸は金属板の厚さ（ｍｍ）、縦軸は金属板の熱抵抗（Ｋ／Ｗ）である。通常は、金属板の薄い方が熱抵抗は小さく、厚くすると熱抵抗が大きくなる。逆に、金属板を厚くすると熱を広げる効果が効いてくる。そのため、金属板が薄いと熱抵抗が低く、１ｍｍ厚程度だと熱を広げる効果があまり効かないので熱抵抗は高く、それ以上厚くすると熱を広げる効果が勝るので熱抵抗は減少するが、４ｍｍを越えると熱抵抗の低下の割合が低くなる。なお、０．５ｍｍ程度の厚さでは、金属板の剛性が弱く、ハンドリング性が悪い。また、金属板が厚くなりすぎると材料コストがかかる事も考慮すると、２〜４ｍｍ程度の厚さが最適であることがわかる。同様に、電極４は０．１ｍｍ以上、好ましくは０．３ｍｍ以上で、４ｍｍ以下の厚さにすると、放熱性を高めることができる。

このように構成された回路基板１は、金属板２の片面の周縁部の角が湾曲状に除かれており、湾曲した連続面を持つ凹部５を有するのが特徴である。従来の矩形（階段状）の段差を設けた場合、モールド樹脂の熱膨張率を下げるためや、熱伝導率を向上させるために、モールド樹脂に充填するシリカやアルミナの粉末を高充填すると、溶融粘度が高くなるため、段差の隅まで樹脂が完全に回りこまない場合が発生する。しかし、金属板２の周縁部に湾曲した連続面を持つ凹部５があると、モールド樹脂が隅々まで行き渡りやすくなり、金属板との密着性・接着性が向上し、ヒートサイクル等でも剥離しなくなるので、耐久性が向上する。

実施の形態２．
図３（ａ）−（ｈ）は、この発明を実施するための実施の形態２における回路基板１及び半導体モジュール１４の製造方法を示す断面図である。まず３００ｍｍ×３００ｍｍの大きさで、２ｍｍ厚の銅の金属板２と、０．２ｍｍ厚の絶縁層３と、０．５ｍｍ厚の電極４用の銅板をプレス熱板６によって図３（ａ）に示すように積層プレスを行う。プレス圧力は絶縁層３が銅の金属板２と電極４用の銅板に接着し、かつボイド等が入らない圧力であれば特に限定することはないが、流動性に富むプリプレグシートなどは３０〜４０ｋｇ／ｃｍ^２程度、また、窒化ホウ素などを充填した樹脂シートのような流動性が乏しいシートについては１００〜２００ｋｇ／ｃｍ^２程度の圧力をかけてプレスを行う。

絶縁層３としては、例えば、熱伝導性の高いシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素などの無機粉末を単独または混合系で充填したエポキシ樹脂のシートを用いることができるが、接着性のある絶縁性のシートであれば特に限定されるものではない。

次に、図３（ｂ）に示すように、エッチングレジストフィルム７をラミネートし、露光、現像してパターンを形成する。電極用銅板側には電極パターンを形成するためのエッチングレジストパターンを設け、銅ベース板側には後に基板外形加工を行う部分に沿うように図４に示すようなスリット状の開口部を持つエッチングレジストパターンを設ける。開口部のスリット幅は、後の基板外形加工時の打ち抜きやダイヤモンドカッターなどの刃の幅よりも広くしておくことが好ましく、金属板２の厚さ程度の刃で加工する場合は、図４のように金属板の厚さ＋２ｍｍ以上をとっておくと良い。なお、この図は、白抜き部分が開口部であり、基板３６個分のうち、４個分だけを示している。

両面にエッチングレジストフィルム７を設けた基板に対して、図３（ｃ）に示すように両面同時に等方性のエッチング処理を行い、電極パターンを形成すると同時に、金属板２側のエッチングも行う。例えば、金属板２が銅の時は、塩化第二鉄/硫酸/水系、硫酸/水系、過硫酸アンモニウム/水系など、金属板２がアルミの場合は、クロム酸/硫酸/水系などのエッチング液を使用する。このようにして、回路基板１の周縁部の凹部５に対応する凹部溝５ａを形成する。なお、等方性エッチングのため、金属板２には湾曲した連続面を持つ凹部溝５ａを容易に設けることができる。

このとき、凹部溝５ａの深さは、エッチング時間によってある程度コントロールすることができるが、後の外形加工に対する信頼性（電極４や絶縁層３の剥離等）から、電極４の厚さ（この場合は０．５ｍｍ）以上は形成しておくことが好ましい。電極パターン形成と同時に行うことから、電極４の厚さよりも深い溝を形成する場合には、電極パターン側のオーバーエッチング量も考慮したエッチングレジストフィルムを形成しておくことで、金属板２に０．５ｍｍ以上の深さで凹部溝５ａを形成することも可能となる。金属板２の周縁部に深い凹部溝５ａを形成しておくことで、後の外形加工の容易さや、モールド樹脂の回り込みやすさも向上する。尚、図１では、金属板２裏面の凹部のみ強調した図となっているが、電極４もエッチングで形成した場合には、電極側面が絶縁層３に対して垂直に切り立っていることはなく、絶縁層３に対して鋭角に裾野を持った形状となる。

なお、ここで、凹部溝５ａ形成後に、例えば、硫酸/過酸化水素系や、ギ酸系のエッチング液を使用して追加エッチング処理を行うと、エッチング表面の微細な凹凸状態を変える事ができる。

次に、図３（ｄ）に示すように、形成された電極パターン側に必要に応じてソルダーレジスト８の熱硬化型の樹脂をスクリーン印刷にて形成する。ソルダーレジスト８の形成方法はスクリーン印刷に限定されるものではなく、カーテンコートやスプレー処理によって行っても構わない。しかし、これらの場合、０．５ｍｍの厚い電極パターンと絶縁層３を一体としてソルダーレジスト８の形成を行うと、電極４の段差のため、電極４周縁部にボイドの入ることがる。そのため、スクリーン印刷による電極上の必要な部分だけに限定するほうが好ましい。

次に、図３（ｅ）に示すように、一括で処理を行った基板から、製品サイズの回路基板１に外形加工を行う。３００ｍｍ×３００ｍｍサイズの基板から、エッチング処理などで、各２ｍｍ間隔で４５ｍｍ×４５ｍｍサイズの製品を３６個レイアウトされた状態の基板を、金属板の凹部溝５ａの外形加工位置９に沿って、打ち抜き加工またはダイヤモンドカッターによる切削加工を行い、図３（ｆ）のように回路基板１が完成する。

最後に、図３（ｇ）に示すように、外形加工を行った回路基板１に半導体チップ１０と共に端子１１を実装してはんだ１２で付け、ワイヤーボンディングし、最後にトランスファーモールドや液状樹脂をポッティングすることによって、回路基板１全体にモールド樹脂１３をモールドし、図３（ｈ）のようにパワー半導体モジュール１４を得る。この際、放熱性を向上させるため、金属板の片面を露出させてモールドする。

このような工程で製造された回路基板１は、電極形成のエッチングと同時に金属板２に凹部溝５ａ（回路基板１の周縁部の凹部５）を形成する。これは、基板処理として通常行うエッチング処理を利用しており、凹部溝５ａを設けるための加工を別工程で行う必要は無いので、コストアップなしで安価に凹部溝５ａを設けることが可能となる。また、基板の変形や歪が無く凹部溝５ａを設けるので寸法精度も良い。

また、凹部溝形成後の追加エッチング処理は、表面の微細な凹凸状態を変える事ができるため、モールド樹脂とのアンカー効果による密着力の向上効果がある。

打ち抜きによって回路基板１を得る場合、金属板の打ち抜く箇所が薄くなっていることで、基板への応力が低減され、クラックや剥離等の絶縁層へのダメージが抑制される効果がある。外形加工はコスト面からも打ち抜き加工を行うことが好ましいが、製品サイズが異なる少量多品種の製造にはダイヤモンドカッターによる切削加工を行うことが好ましい。この場合も従来は金属板が厚いためにダイヤモンドカッターによる切断時間が長くなるという問題があったが、この発明では、加工部分のみ薄くすることによって切断時間を短くすることが可能となり、コストを安くする事ができる。

このようにして製造された回路基板１は、金属板２の片面の周縁部の角が湾曲状に除かれており、この部分にモールド樹脂が隅々まで行き渡りやすくなり、金属板との密着性・接着性が向上する。

また、このようにして製造された半導体モジュール１４は、回路基板１の金属板２の周縁部に湾曲した連続面を持つ凹部５を有するので、金属板を露出させてモールドする際に、モールド樹脂が凹部５の隅々まで充填されやすくなり、金属板との密着性・接着性が向上し、ヒートサイクル等による耐久性も向上する。

ここでは、大きな金属板を用い、その中に縦・横に複数列並べて平面状に配列した回路基板を一括して製造し、複数個に分割する構成となっている。つまり、従来のように金属板よりも大きなリードフレームを圧着するものとは異なり、金属板よりも電極の大きさを小さくしているために、複数の基板の配列が可能となり、同時に製造できる。また、回路基板１にチップ１２ともに端子１０を実装しモールドすると、従来のリードフレームと同じ役割のものを作る事ができるため、工程の追加が無い。また、従来のリードフレームは、曲げ加工を行わなければならなかったが、本製造方法ではこの工程は不要である。このように、金属板よりも電極を小さくしたために、量産性が上がり、値段を安くする事ができるという効果もある。

実施の形態３．
パワー半導体装置の放熱問題に対応し、絶縁層の高熱伝導化を進めるために、樹脂へ熱伝導性の高い無機粉末（シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素など）を高充填する傾向にあるが、高充填することによって、絶縁層は脆くなり、接着強度・ピール強度が低下する。これらのピール強度が低い絶縁層を使った回路基板の外形加工として打ち抜き加工を行うと、電極パターンと絶縁層との剥離が発生するという問題があった。そこで、打ち抜き加工の際の絶縁層の剥離等の劣化を調べたのが図５である。この図は、絶縁層に窒化ホウ素粉末充填エポキシ樹脂シートを用いており、銅とのピール強度が弱い（約０．４ｋｇ/ｃｍ）場合である。横軸は金属板２として銅板を用い、その厚さＡ（ｍｍ）、縦軸は、凹部５の深さＢ（ｍｍ）であり、電極４の厚さＣ（ｍｍ）はここでは０．５ｍｍとしている。

この図から分かるように、金属板１の厚さＡが２ｍｍよりも薄い場合は、基板が薄くて剛性が弱いため、ハンドリング性が悪くなったり、打ち抜き加工時に基板がたわむために、絶縁層に剥離やクラックが発生する。逆に基板の厚さが厚くなると、凹部形成後の基板の残り厚さ（＝Ａ−Ｂ）が厚くて基板打ち抜き加工に多少力がかかっても、基板がたわまないので凹部に力が集中するようになり、絶縁層の劣化が少なくなる。その目安として、Ｂ≧０．５Ａ−１．０という関係がある。また、凹部が形成されていない時は（Ｂ＝０）、打ち抜く時の力が凹部に集中せず、絶縁層に無理な力がかかるため、絶縁層の劣化が発生する。凹部の深さＢは電極の厚さＣ以上であるため、Ｂ≧Ｃ＞０あれば絶縁層の劣化は少なくなる。なお、凹部の深さは最大で基板の厚さＡまでであり、Ａ＝Ｂの時は、絶縁層しか残らない事になる。しかし、この場合、エッチング後の運搬時等に絶縁層の割れが発生することがある。この時、きれいに割れるわけはなく、周辺がギザギザに割れたり、割れた絶縁層の粉が発生する等都合が悪い。これらより、
Ｂ≧０．５Ａ−１．０、かつ、Ａ≧２、かつ、Ａ＞Ｂ≧Ｃ＞０、
の関係を満たせばよい。

同様に、ピール強度が約１ｋｇ／ｃｍのプリプレグシートを用いて実験を行った場合は、いずれの条件でも絶縁層の劣化は起こらなかったため、
Ａ≧Ｂ≧Ｃ＞０、
の関係を満たせばよい。

このように、絶縁層の材質やピール強度に応じて、金属板の厚さＡと電極の厚さＣより、適切な凹部の深さＢが分かる。そのため、エッチングの時間を調整して、適切な深さの凹部５を作製すれば、熱伝導性が良好ではあるがもろい絶縁層の材料でも、安価な打ち抜き加工を用い、絶縁層の劣化を抑えて使用できる。そのため、高品質の回路基板を安価に製造することができる。

この発明の実施の形態１を示す回路基板の断面図である。 この発明の実施の形態１を示す金属板の熱抵抗の図である。 この発明の実施の形態２を示す回路基板及び半導体モジュールの製造方法の断面図である。 この発明の実施の形態２を示す金属板側に設けるレジストフィルムのパターン図である。 この発明の実施の形態３を示す打ち抜き加工時の絶縁層の剥離の有無を示す図である。

符号の説明

１ 回路基板
２ 金属板
３ 絶縁層
４ 電極
５ 凹部
５ａ 凹部溝
６ プレス熱板
７ レジストフィルム
８ ソルダーレジスト
９ 外形加工位置
１０ 半導体チップ
１１ 端子
１２ はんだ
１３ モールド樹脂
１４ 半導体モジュール
Ａ 金属板の厚さ（ｍｍ）
Ｂ 凹部の深さ（ｍｍ）
Ｃ 電極の厚さ（ｍｍ）

Claims (4)

1. 片面の周縁の角が湾曲状に除かれている金属板と、この金属板の上記片面と対向する面上に設けられた絶縁層と、この絶縁層上に設けられた電極とを備えた回路基板。
2. 除かれた部分の深さは、前記電極の厚さ以上である請求項１記載の回路基板。
3. 金属板と絶縁層と電極とを積層プレスする工程と、基板の両面にレジストでパターンを形成する工程と、基板の両面を同時にエッチングする工程と、エッチングによって作製された金属板の溝に沿って前記回路基板を切削加工又は打ち抜き加工をして複数個に分割する工程とを備えた回路基板の製造方法。
4. 請求項１又は２記載の回路基板と、この回路基板上に搭載された半導体チップと、前記回路基板の金属板が周縁の角を除いて露出するように前記回路基板および前記半導体チップをモールドした樹脂とを備えた半導体モジュール。

Images