JP2013143414A - Electronic circuit board and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子回路基板及び半導体装置に関する。 The present invention relates to an electronic circuit board and a semiconductor device.
本技術分野の背景技術として、特許文献1がある。この公報には、絶縁性のセラミックス基板の裏面側に冷却用の金属材料を設けた回路基板において、室温環境下で前記金属材料に前記セラミックス基板が接着剤を用いることなく直接接合されており、前記セラミックス基板が、多結晶の脆性材料からなり、結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が存在せず、前記セラミックス基板と前記金属材料との界面は、前記セラミックス基板が前記金属材料に食い込むアンカー部となっていることを特徴とする回路基板が記載されている。
As a background art of this technical field, there is
特許文献1では、エアロゾルデポジション法によりセラミックス基板を金属材料に直接形成した電子回路基板が記載されている。ICチップなどの半導体素子を搭載するために、セラミックス基板の表面には導体性配線が形成される。
しかし、電子回路基板が使用環境において温度サイクルを受ける場合、例えば、−40℃から125℃までの温度変化を繰返し受ける場合、セラミックス基板表面に形成された導電性配線が剥離する課題がある。導体性配線の剥離は、電子回路基板に搭載した半導体素子の放熱性を低下させるため、素子温度が上昇し、素子が故障する原因となる。 However, when the electronic circuit board is subjected to a temperature cycle in a use environment, for example, when the temperature change from −40 ° C. to 125 ° C. is repeatedly received, there is a problem that the conductive wiring formed on the surface of the ceramic substrate is peeled off. The peeling of the conductive wiring reduces the heat dissipation of the semiconductor element mounted on the electronic circuit board, so that the element temperature rises and causes the element to fail.
そこで本発明では、使用環境における温度サイクルにより導体性配線が剥離しない電子回路基板及びその電子回路基板を用いた半導体装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electronic circuit board in which conductive wiring does not peel off due to a temperature cycle in a use environment and a semiconductor device using the electronic circuit board.
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、金属板と、前記金属板に接着層なく直接形成された絶縁層と、前記絶縁層に形成された導体性配線を備え、前記絶縁層は無機材料からなる無機絶縁部と無機材料の空隙に有機材料を含有する無機有機混合絶縁部とを有し、前記絶縁層と前記導体性配線の界面の少なくとも一部に無機有機混合絶縁部が形成されたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted. The present invention includes a plurality of means for solving the above problems. For example, a metal plate, an insulating layer formed directly on the metal plate without an adhesive layer, and a conductor formed on the insulating layer. The insulating layer includes an inorganic insulating portion made of an inorganic material and an inorganic-organic mixed insulating portion containing an organic material in a gap between the inorganic materials, and at least one of the interfaces between the insulating layer and the conductive wiring. An inorganic-organic mixed insulating part is formed in the part.
本発明により、使用環境における温度サイクルにより導体性配線が剥離しない電子回路基板及びその電子回路基板を用いた半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electronic circuit board in which the conductive wiring does not peel off due to a temperature cycle in a use environment, and a semiconductor device using the electronic circuit board.
以下、実施例を図面を用いて説明する。 Hereinafter, examples will be described with reference to the drawings.
図1に、本実施例における電子回路基板の模式図を示す。金属板1に絶縁層2が、接着層なく直接形成される。金属板1の絶縁層2が形成されていない一方の面には、放熱性を向上させるためのフィンが形成されていても良い。
In FIG. 1, the schematic diagram of the electronic circuit board in a present Example is shown. The
絶縁層2の金属板1が接合していない一方の面には、導体性配線3が形成される。導体性配線3の形成方法として、真空蒸着法、スパッタ法、CVD法、めっき法、スクリーン印刷法など従来公知のいずれの方法も使用できる。
絶縁層2には、無機材料のみからなる無機絶縁部21と無機材料の空隙に有機材料が含浸した無機有機混合絶縁部22が存在する。本実施例における電子回路基板では、絶縁層2と導体性配線3の界面の少なくとも一部に無機有機混合絶縁部22を形成することで、温度サイクルによる導体性配線3の剥離を抑制することができる。
The
絶縁層2に使用する無機材料としては、電気的に絶縁性であればいずれの材料も使用できる。例えば、Al2O3、AlN、TiO2、Cr2O3、SiO2、Y2O3、NiO、ZrO2、SiC、TiC、WCなどが挙げられる。絶縁層2に使用する無機材料はこれらの混合とすることもできる。高熱伝導率の点からでは、SiC、AlN、Si3N4、Al2O3等が望ましい。さらに、大気中での取り扱い、及び無機材料の製造コストの点において、Al2O3が最も望ましい。
As the inorganic material used for the
絶縁層2に使用する有機材料としては、電気的に絶縁性であればいずれの材料も使用できる。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フッ素系樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などが挙げられる。有機材料には、Al2O3、AlN、TiO2、Cr2O3、SiO2、Y2O3、NiO、ZrO2、SiC、TiC、WCなどの無機粒子を含有してもよい。無機粒子の含有により、有機材料の熱膨張係数は低減する。有機材料の熱膨張係数が絶縁層2に使用する無機材料よりも大きく、導体性配線3よりも小さい場合、温度変化による導体性配線3の剥離を効果的に抑制することができる。例えば、無機材料にAl2O3(熱膨張係数7×10−6/℃)、導体性配線にCu(熱膨張係数17×10−6/℃)を使用した場合、熱膨張係数を10〜15×10−6/℃程度に調整した有機材料を使用することが望ましい。
As the organic material used for the
無機有機混合絶縁部22の形成箇所は、絶縁層2と導体性配線3との界面のうち、導体性配線層3の端部を含むことが望ましい。温度サイクルによる導体性配線3の剥離は、その端部より進展する。無機絶縁部21よりも熱膨張係数が高い無機有機混合絶縁部22を導体性配線3の端部に形成し、導体性配線3との熱膨張係数差を小さくすることで、熱応力を低減し、温度サイクルによる導体性配線3の剥離を効果的に抑制することができる。
The location where the inorganic / organic mixed
絶縁層2の製造方法は、図2(a)に示すエアロゾルデポジション法により無機材料20を金属板1に直接形成する工程と、図2(b)に示す無機材料20の空隙に有機材料を含浸させる工程からなる。無機材料20には空隙の無い領域210と空隙のある領域220が存在し、有機材料の含浸後、有機材料が含浸する空隙が無く無機材料のみからなる領域が無機絶縁部21として機能し、無機材料の空隙に有機材料が含浸した領域が無機有機混合絶縁部22として機能する。
The manufacturing method of the
まず、エアロゾルデポジション法により無機材料20を金属板1に直接形成する過程を説明する。エアロゾルデポジション装置の構成説明図を図3に示す。高圧ガスボンベ31を開栓し、搬送ガスがガス搬送管32を通してエアロゾル発生器23に導入させる。エアロゾル発生器33にはあらかじめ無機材料20と同組成の粒子を入れておく。粒径は0.1〜5μm程度が望ましい。搬送ガスと混合されることで、当該粒子を含むエアロゾルが発生する。使用可能な搬送ガスとしては、Ar、N2、He等の不活性ガスが挙げられる。金属板1は真空チャンバー35内のXYステージ37に固定する。真空チャンバー35を真空ポンプ38により減圧することで、搬送ガスが導入されるエアロゾル発生器33と真空チャンバー35間には圧力差が生まれる。この圧力差により、エアロゾルは、搬送管34を通してノズル36へと送られ、金属板1に向けてノズル36の開口より高速で噴出される。エアロゾル中の粒子は、金属板1に衝突し、結合する。さらに粒子が連続的に衝突し、微粒子同士も結合することで、無機材料20が金属板1に形成される。無機材料20は金属板1に直接形成され、無機材料20と金属板1の構成元素が相互に拡散した遷移領域や、無機材料20と金属板1の反応生成層は界面に存在しない。
First, a process of directly forming the
無機材料20には、有機材料を含浸する空隙のある領域220と、空隙の無い緻密な領域210を形成する。無機材料20の空隙の有無は、エアロゾル発生器23に入れる粒子を変えることで制御することができる。空隙の有無に合わせた粒子の選択には、例えば以下に示すような粒子の変形エネルギーを評価することが有効である。変形エネルギーの評価方法に関して、Al2O3粒子を例に以下に記す。変形エネルギーの評価には、粒子の圧縮破壊試験を利用する。試験装置の模式図を図4に示す。ステージ41により、ステージ41に設置した粒子42は、加圧圧子43により試験力を加えたときの粒子42の変位量を計測する場所44と、光学顕微鏡45により粒子42の形状と径を計測する場所46の間を移動することができる。試験装置を用いて、直径20μmの平面圧子、試験力100mN、負荷速度3.87mN/secの条件で粒子を圧縮破壊した場合の代表的な荷重変位曲線を図5に示す。図5の塗りつぶしで示す面積は、変形までに粒子に蓄積される弾性エネルギーに相当する。試験前にステージに設置された光学顕微鏡45で測定した粒子径より求めた粒子体積で、この弾性エネルギーを除することで変形エネルギーと定義し、微粒子評価に用いた。
In the
粒子の変形エネルギー評価には、市販のAl2O3粉末を用いた。用いたAl2O3粉末種は、AMS−5020F、AKP−20、AA−1.5である。各粉末の粒子7個の変形エネルギーを測定し、平均変形エネルギーを評価した。金属板1にCu、搬送ガスにN2、ガス流量2L/min、開口部10mm×0.4mmのノズル36を使用して成膜した場合、平均変形エネルギーの違いにより得られる無機材料20の組織が変化する。図6、7に電界放出形走査形電子顕微鏡を用いて無機材料断面を撮影した像により無機材料20の組織を示す。像の下側がCu板との界面側、像の上側が無機材料20の表面側である。平均変形エネルギーが7.3×10−2nJ/μm3のAMS−5020Fを用いた場合、図6に示すように、緻密で空隙のない無機材料20を形成できる。一方、平均変形エネルギーが1.2×10−1nJ/μm3のAKP−20を用いた場合、図7に示すように、Cu板界面と平行な方向に幅約0.5μm以下、長さ約1〜20μmの空隙が、無機材料20の厚み方向に約1〜3μmの間隔で形成された無機材料20を形成できる。しかし、平均変形エネルギーが3.3×10−1nJ/μm3のAA−1.5を用いた場合、約2μm以上の厚みの無機材料を形成できなかった。絶縁層2が2μm以上必要な場合、変形エネルギーが3.3×10−1nJ/μm3のAA−1.5を使用することはできない。
Commercially available Al 2 O 3 powder was used for the deformation energy evaluation of the particles. The Al 2 O 3 powder types used are AMS-5020F, AKP-20, and AA-1.5. The deformation energy of 7 particles of each powder was measured, and the average deformation energy was evaluated. When the film is formed using Cu on the
また、変形エネルギーが低い粒子ほど金属板1への成膜効率が高い。成膜効率とは、金属板1に形成された無機材料20の重量の金属板1に衝突した粒子重量に対する比であり、成膜効率が高いほど、少ない粒子量で、同じ体積の無機材料20を形成できることを意味する。表に変形エネルギーと成膜効率の相対値の関係を示す。変形エネルギーの低い粒子、例えば、AMS−5020Fを用いれば、より低コストで無機材料20を形成できる。
In addition, the lower the deformation energy, the higher the deposition efficiency on the
本実施例における電子回路基板の製造では、まず緻密で空隙のない無機材料を形成できるAl2O3粉末、例えば、AMS−5020Fを用いて、金属板1上に空隙の無い緻密な領域210を形成する。次に、空隙のある無機材料を形成できるAl2O3粉末、例えば、AKP−20を用いて、空隙の無い緻密な領域210上の一部に、有機材料を含浸する空隙のある領域220を形成する。このとき、XYステージ37を動かし、ノズル36と金属板1の相対位置を変えることで、空隙の無い緻密な領域210と有機材料を含浸する空隙のある領域220それぞれの形状と形成箇所を制御できる。
In the manufacture of the electronic circuit board in this example, first, a
続いて、無機材料20の空隙に有機材料、例えばエポキシ樹脂を含浸させる過程を説明する。無機材料20の端部、及び表面にエポキシ樹脂を滴下し塗布すると、有機材料を含浸する空隙のある領域220の空隙はエポキシ樹脂で含浸される。エポキシ樹脂塗布後、5〜10分間放置してから、無機材料20の端部、及び表面の余分なエポキシ樹脂をスキージ等で除去し、エポキシ樹脂の硬化条件に合わせ、例えば150℃で60分程度保持し、エポキシ樹脂を硬化させる。最後に無機材料20の端部、及び表面に残り硬化したエポキシ樹脂をサンドペーパー等で除去する。
Next, a process of impregnating the organic material, for example, an epoxy resin into the voids of the
以上の方法より、有機材料の含浸する空隙が無く無機材料のみからなる無機絶縁部21と、無機材料の空隙に有機材料の含浸した無機有機絶縁部22を有する絶縁層2を金属板1に直接形成できる。なお、本実施例では、絶縁層2に、無機材料のみからなる無機絶縁部21と無機材料の空隙に有機材料が含浸した無機有機混合絶縁部22が存在し、絶縁層2と導体性配線3の界面の少なくとも一部に無機有機混合絶縁部22が形成されていれば良く、無機有機混合絶縁部22の形状、サイズ、個数等は限定されない。
By the above method, the insulating
本実施例における電子回路基板で温度サイクル試験を行った。Cu板上に、エアロゾルデポジション法で厚み20μmのAl2O3からなる無機材料を形成した。続いて、エポキシ樹脂で空隙を含浸することで、無機絶縁部と無機有機混合絶縁部を有する絶縁層を形成した。絶縁層にはスクリーン印刷で厚み100μmのCu配線を形成した。また、従来構造として、Cu板上に、エアロゾルデポジション法で無機絶縁部のみしか存在しない厚み20μmのAl2O3を形成し、スクリーン印刷で厚み100μmのCu配線を形成した電子回路基板も作製した。温度サイクル条件は、温度を−40℃として30分保持した後に、125℃まで温度を上げて30分保持し、これを100サイクル繰り返した。 A temperature cycle test was conducted on the electronic circuit board in this example. An inorganic material made of Al 2 O 3 having a thickness of 20 μm was formed on a Cu plate by an aerosol deposition method. Subsequently, an insulating layer having an inorganic insulating portion and an inorganic-organic mixed insulating portion was formed by impregnating the voids with an epoxy resin. A Cu wiring having a thickness of 100 μm was formed on the insulating layer by screen printing. In addition, as a conventional structure, an electronic circuit board in which 20 μm thick Al 2 O 3 having only an inorganic insulating portion is formed on a Cu plate by an aerosol deposition method and Cu wiring having a thickness of 100 μm is formed by screen printing is also manufactured. did. As temperature cycle conditions, the temperature was kept at −40 ° C. for 30 minutes, then the temperature was raised to 125 ° C. and held for 30 minutes, and this was repeated 100 cycles.
温度サイクル試験後、絶縁層とCu配線の界面を電子スキャン式高速超音波解析装置により観察し、剥離の有無を確認した。絶縁層に無機絶縁部のみしか存在しない従来の電子回路基板では、絶縁層とCu配線の界面に剥離が発生するのに対し、絶縁層に無機材料のみからなる無機絶縁部と無機材料の空隙に有機材料が含浸した無機有機混合絶縁部が存在する本実施例の電子回路基板では、剥離は発生せず、従来構造に比べ、温度サイクル信頼性が向上することを確認した。 After the temperature cycle test, the interface between the insulating layer and the Cu wiring was observed with an electronic scanning high-speed ultrasonic analyzer to confirm the presence or absence of peeling. In the conventional electronic circuit board in which only the inorganic insulating portion is present in the insulating layer, peeling occurs at the interface between the insulating layer and the Cu wiring, whereas in the insulating layer, the gap between the inorganic insulating portion and the inorganic material is made only of the inorganic material. In the electronic circuit board of this example in which the inorganic / organic mixed insulating portion impregnated with the organic material was present, it was confirmed that peeling did not occur and the temperature cycle reliability was improved as compared with the conventional structure.
図8に本実施例における電子回路基板を用いた半導体装置の例を示す。半導体素子5は、接合部材4を介して導体性配線3に接続される。また、接合部材5としては、Pb−Sn系、Sn−Cu系、Sn−Ag−Cu系などのはんだ、Agなどの金属、及び金属フィラー入り樹脂などが挙げられる。半導体素子5上面と導体性配線3はAu、Alなどの金属ワイヤ6により接続される。このとき、導体性配線3を介して半導体素子5が存在する絶縁層2の領域は無機絶縁部21とすることが望ましい。無機有機混合絶縁部22は、有機材料を含有するため、熱伝導率が無機絶縁部21に比べ低い。例えば、無機材料にAl2O3、有機材料にエポキシ樹脂を用いた場合、熱伝導率はそれぞれ20W/(m・K)、0.2W/(m・K)程度である。無機絶縁部21の熱伝導率はAl2O3の20W/(m・K)となるのに対し、無機有機混合絶縁部22の熱伝導率はAl2O3とエポキシの合成値となるため、1〜2W/(m・K)に留まる。導体性配線3を介して半導体素子5が存在する絶縁層2の領域を無機絶縁部21とすることで、半導体素子5の放熱性を損なうことなく、温度サイクルによる導体性配線3の剥離を抑制することができる。
FIG. 8 shows an example of a semiconductor device using the electronic circuit board in this embodiment. The
また、図9に示すように、半導体素子5端部を基点に斜め45°の領域に無機有機混合絶縁部22が存在しない構造としてもよい。半導体素子5から発生する熱流束は半導体素子5端部を基点に斜め45°の角度で拡散すると近似できる。その領域に熱伝導率の低い無機有機混合絶縁部22が存在しないことで、半導体素子5の放熱性をさらに向上させることができる。
Moreover, as shown in FIG. 9, it is good also as a structure where the inorganic organic
以上より、本実施例によれば、絶縁層2を無機絶縁部21と無機有機混合絶縁部22とで構成したことにより、無機絶縁部21により、熱伝導性を確保しつつ、無機有機混合絶縁部22により、熱膨張係数を導体性配線3に近づけることができ、温度サイクルによる導体性配線3の剥離を効果的に抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, since the insulating
図10に本実施例における電子回路基板の模式図を示す。本実施例では、実施例1と比較して、導体性配線3の代わりに金属導体板8が樹脂層7を介して絶縁層2に接着している電子回路基板、及びその電子回路基板を用いた半導体装置の例を説明する。その他構成は、既に説明した図に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。
FIG. 10 shows a schematic diagram of an electronic circuit board in the present embodiment. In this embodiment, as compared with the first embodiment, an electronic circuit board in which a
金属板1に直接形成された絶縁層2に無機絶縁部21のみしか存在しない従来の電子回路基板では、金属導体板8が樹脂層7を介して絶縁層2に接着した場合、温度サイクルにより、絶縁層2と樹脂層7の界面で剥離が進展し、電子回路基板としての動作が保障されない課題がある。
In a conventional electronic circuit board in which only the inorganic insulating
本実施例における電子回路基板では、絶縁層2に無機材料のみからなる無機絶縁部21と無機材料の空隙に有機材料が含浸した無機有機混合絶縁部22が存在し、樹脂層7を介して、金属導体板8が接着している。絶縁層2と樹脂層7の界面の少なくとも一部に無機有機混合絶縁部22を形成することで、温度サイクルによる樹脂層7の剥離を抑制することができる。なお、本実施例では、絶縁層2と樹脂層7の界面の少なくとも一部に無機有機混合絶縁部22が形成されていれば良く、無機有機混合絶縁部22の形状、サイズ、個数等は限定されない。
In the electronic circuit board in this example, the insulating
金属導体板8は、Al合金、Cu合金などからなる金属板である。金属導体板8の表面は、防錆のためのめっき処理、樹脂層7との接着力向上のための粗面化処理、酸化処理等の表面処理がされていても良い。樹脂層7の樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フッ素系樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などが挙げられる。樹脂層7の塗布方法として、スクリーン印刷法、インクジェット法、ロールコーター法、ディスペンサー法など従来公知のいずれの方法も使用できる。また、樹脂層7は、絶縁層2と金属導体板8の間にシート状の樹脂を設置し熱圧着により接着させることで形成してもよい。所望の厚みをもつシートを用いることで、樹脂層7の厚み制御が容易になる。また、樹脂層7は、Al2O3、AlN、SiO2、Ag、Cu、Al、Auなどの無機粒子をフィラーとして含有してもよい。無機粒子を含有することで、樹脂層7の熱伝導率が向上する。
The
本実施例における電子回路基板で温度サイクル試験を行った。実施例1に記載した方法と同様に、Cu板上にエアロゾルデポジション法で厚み50μmのAl2O3からなる無機材料を形成した。続いて、エポキシ樹脂で空隙を含浸することで、無機絶縁部と無機有機混合絶縁部を有する絶縁層を形成した。更に樹脂層として、Al2O3粒子を含有したエポキシ樹脂を用いて、厚み1mmのCu板と絶縁層を接着させた。また、従来構造として、Cu板上に、エアロゾルデポジション法で無機絶縁部のみしか存在しない厚み50μmのAl2O3を形成し、Al2O3粒子を含有したエポキシ樹脂を用いて、厚み1mmのCu板と接着させた電子回路基板も作製した。温度サイクル条件は、温度を−40℃として30分保持した後に、125℃まで温度を上げて30分保持し、これを100サイクル繰り返した。 A temperature cycle test was conducted on the electronic circuit board in this example. Similar to the method described in Example 1, an inorganic material composed of Al 2 O 3 having a thickness of 50 μm was formed on a Cu plate by an aerosol deposition method. Subsequently, an insulating layer having an inorganic insulating portion and an inorganic-organic mixed insulating portion was formed by impregnating the voids with an epoxy resin. Further, an epoxy resin containing Al 2 O 3 particles was used as a resin layer, and a 1 mm thick Cu plate and an insulating layer were adhered. In addition, as a conventional structure, 50 μm thick Al 2 O 3 having only an inorganic insulating portion is formed on a Cu plate by an aerosol deposition method, and using an epoxy resin containing Al 2 O 3 particles, the thickness is 1 mm. An electronic circuit board bonded to the Cu plate was also prepared. As temperature cycle conditions, the temperature was kept at −40 ° C. for 30 minutes, then the temperature was raised to 125 ° C. and held for 30 minutes, and this was repeated 100 cycles.
温度サイクル試験後、絶縁層と樹脂層の界面を電子スキャン式高速超音波解析装置により観察し、剥離の有無を確認した。絶縁層に無機絶縁部のみしか存在しない従来の電子回路基板では、絶縁層と樹脂層の界面に剥離が発生するのに対し、絶縁層に無機材料のみからなる無機絶縁部と無機材料の空隙に有機材料が含浸した無機有機混合絶縁部が存在する本実施例の電子回路基板では、絶縁層と樹脂層の界面に剥離は発生せず、従来構造に比べ、温度サイクル信頼性が向上することを確認した。 After the temperature cycle test, the interface between the insulating layer and the resin layer was observed with an electronic scanning high-speed ultrasonic analyzer to confirm the presence or absence of peeling. In the conventional electronic circuit board in which only the inorganic insulating portion is present in the insulating layer, peeling occurs at the interface between the insulating layer and the resin layer, whereas in the insulating layer, the gap between the inorganic insulating portion and the inorganic material is made of only the inorganic material. In the electronic circuit board of this example in which an inorganic-organic mixed insulating part impregnated with an organic material is present, no peeling occurs at the interface between the insulating layer and the resin layer, and the temperature cycle reliability is improved compared to the conventional structure. confirmed.
図11に本実施例における電子回路基板を用いた半導体装置の例を説明する。電子回路基板が、樹脂層7を介して、絶縁層2と金属導体板8を接着する構造により、大電流を扱うIGBTなどのパワー半導体を搭載した半導体装置に適用できる。半導体素子5は、接合部材4を介して金属導体板8に接続される。半導体素子5としては、スイッチング動作によって直流電流を交流電流に変換するIGBTなどのパワー半導体素子やこれらのパワー半導体素子を制御するための制御回路用半導体素子が挙げられる。また、接合部材4としては、Pb−Sn系、Sn−Cu系、Sn−Ag−Cu系などのはんだ、Agなどの金属、及び金属フィラー入り樹脂などが挙げられる。半導体素子5上面と金属導体板8はAlなどの金属ワイヤ6により接続される。金属導体板8には外部接続端子9が接続される。金属板1の周囲には樹脂ケース10が接着され、絶縁性ゲル剤などの封止剤11が内部に充填される。
FIG. 11 illustrates an example of a semiconductor device using an electronic circuit board in this embodiment. The electronic circuit board can be applied to a semiconductor device on which a power semiconductor such as an IGBT that handles a large current is mounted due to the structure in which the insulating
本実施例における絶縁層2の絶縁特性を、短時間昇圧法により測定した絶縁破壊電圧で評価した。Cu板上にエアロゾルデポジション法で厚み50μmのAl2O3からなる無機材料を形成し、続いて、エポキシ樹脂で空隙を含浸することで、無機絶縁部と無機有機混合絶縁部を有する絶縁層を形成した。絶縁破壊電圧は50〜400V/μmであった。半導体素子5としては、スイッチング動作によって直流電流を交流電流に変換するIGBTなどのパワー半導体素子やこれらのパワー半導体素子を制御するための制御回路用半導体素子を用いる場合、必要とされる絶縁電圧は2〜15kVであり、絶縁層2の絶縁破壊電圧値から、絶縁層2に必要な厚みは5〜300μm程度である。
The insulating characteristics of the insulating
図12に示すように、金属板1の冷却面以外をモールド樹脂12により封止しても良い。モールド樹脂12により封止することで、金属ワイヤ7と半導体素子6の接続部における応力集中が緩和されるため、金属ワイヤ7の剥離を抑止でき、半導体装置のパワーサイクル寿命が向上する。
As shown in FIG. 12, portions other than the cooling surface of the
図13に示すように、金属板1は、半導体素子5の一面側のみに設置されている必要ななく、金属板1が半導体素子5の両面に設置されていても良い。半導体素子5の両面に金属板1を設置することで、半導体素子5の放熱面積が増加するため、金属板1を半導体素子の一方に設置した構造に比べ、放熱性が向上する。
As shown in FIG. 13, the
図14に示すように、2つの金属板1が金属部材13により接合され、CAN型の形状をなしていても良い。CAN型の構造を成すことで、半導体装置を冷却媒体が流れる流路内に挿しても、開口から端子を突出させることができるとともに、簡易な構造で冷却媒体が半導体装置内部に侵入することを防ぐことができる。
As shown in FIG. 14, two
以上より、本実施例によれば、実施例1と同様の効果を得ることができ、さらに、樹脂層7を用いたため、金属導体板8と金属板5との絶縁特性をより向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and furthermore, since the
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
1 金属板
2 絶縁層
21 無機絶縁部
22 無機有機混合絶縁部
20 無機材料
210 空隙のない緻密な領域
220 有機材料を含浸する空隙のある領域
3 導体性配線
4 接合部材
5 半導体素子
6 金属ワイヤ
7 樹脂層
8 金属導体板
9 外部接続端子
10 樹脂ケース
11 封止材
12 モールド樹脂
13 金属部材
31 高圧ガスボンベ
32、34 搬送管
33 エアロゾル発生器
35 真空チャンバー
36 ノズル
37 XYステージ
38 真空ポンプ
41 ステージ
42 粒子
43 加圧圧子
44 粒子の変位量を計測する場所
45 光学顕微鏡
46 粒子の形状と径を計測する場所
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記金属板に形成された絶縁層と、
前記絶縁層に形成された導体性配線を備え、
前記絶縁層は無機材料からなる無機絶縁部と無機材料の空隙に有機材料を含有する無機有機混合絶縁部とを有し、前記絶縁層と前記導体性配線の界面の少なくとも一部に無機有機混合絶縁部が形成されたことを特徴とする電子回路基板。 A metal plate,
An insulating layer formed on the metal plate;
Comprising conductive wiring formed in the insulating layer;
The insulating layer has an inorganic insulating portion made of an inorganic material and an inorganic / organic mixed insulating portion containing an organic material in a gap between the inorganic materials, and an inorganic / organic mixed material is mixed at least at a part of the interface between the insulating layer and the conductive wiring. An electronic circuit board having an insulating portion formed thereon.
前記導体性配線の端部の少なくとも一部が前記無機有機混合絶縁部に形成されたことを特徴とする電子回路基板。 The electronic circuit board according to claim 1,
An electronic circuit board, wherein at least a part of an end portion of the conductive wiring is formed in the inorganic / organic mixed insulating portion.
前記無機有機混合絶縁部に含有される有機材料が無機粒子を含有することを特徴とする電子回路基板。 The electronic circuit board according to claim 1 or 2,
An electronic circuit board, wherein the organic material contained in the inorganic / organic mixed insulating part contains inorganic particles.
前記絶縁層がAl2O3を含むことを特徴とする電子回路基板。 An electronic circuit board according to any one of claims 1 to 3,
An electronic circuit board, wherein the insulating layer contains Al 2 O 3 .
前記金属板に形成された絶縁層と、
前記絶縁層に樹脂層を介して形成された金属導体板を備え、
前記絶縁層は無機材料からなる無機絶縁部と無機材料の空隙に有機材料を含有する無機有機混合絶縁部とを有し、前記絶縁層と前記樹脂層の界面の少なくとも一部に前記無機有機混合絶縁部が形成されたことを特徴とする電子回路基板。 A metal plate,
An insulating layer formed on the metal plate;
A metal conductor plate formed on the insulating layer via a resin layer,
The insulating layer has an inorganic insulating portion made of an inorganic material and an inorganic / organic mixed insulating portion containing an organic material in a void of the inorganic material, and the inorganic / organic mixed material is at least part of an interface between the insulating layer and the resin layer. An electronic circuit board having an insulating portion formed thereon.
前記樹脂層の端部の少なくとも一部が前記無機有機混合絶縁部で形成されたことを特徴とする電子回路基板。 The electronic circuit board according to claim 7,
An electronic circuit board, wherein at least a part of an end portion of the resin layer is formed of the inorganic-organic mixed insulating portion.
前記無機有機混合絶縁部に含有される有機材料が無機粒子を含有することを特徴とする電子回路基板。 The electronic circuit board according to claim 7 or 8,
An electronic circuit board, wherein the organic material contained in the inorganic / organic mixed insulating part contains inorganic particles.
前記絶縁層がAl2O3を含むことを特徴とする電子回路基板。 An electronic circuit board according to any one of claims 7 to 9,
An electronic circuit board, wherein the insulating layer contains Al 2 O 3 .
前記絶縁層の厚みが5〜300μmであることを特徴とする電子回路基板。 An electronic circuit board according to any one of claims 7 to 10,
The thickness of the said insulating layer is 5-300 micrometers, The electronic circuit board characterized by the above-mentioned.
前記樹脂層、前記半導体素子と前記金属板との間にある前記絶縁層の領域は、前記無機絶縁部からなることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 12,
A region of the insulating layer between the resin layer, the semiconductor element, and the metal plate is formed of the inorganic insulating portion.
前記絶縁層の前記無機材料の空隙に有機材料を含浸する工程と、
前記絶縁層に導体性配線を形成する工程を有することを特徴とする電子回路基板の製造方法。 Forming an insulating layer having an inorganic material on a metal plate by an aerosol deposition method;
Impregnating the voids of the inorganic material of the insulating layer with an organic material;
A method of manufacturing an electronic circuit board, comprising: forming a conductive wiring on the insulating layer.
エアロゾルデポジション法により前記金属板に無機材料を有する絶縁層を形成する工程が、前記金属板に有機材料が含浸する空隙のない無機材料を形成する工程と、前記空隙のない緻密な無機材料に有機材料が含浸する空隙のある無機材料を形成する工程を有することを特徴とする電子回路基板の製造方法。 A method of manufacturing an electronic circuit board according to claim 14,
The step of forming an insulating layer having an inorganic material on the metal plate by an aerosol deposition method includes the step of forming an inorganic material without voids impregnated with an organic material on the metal plate, and a dense inorganic material without voids. A method for manufacturing an electronic circuit board, comprising the step of forming an inorganic material having voids impregnated with an organic material.
前記絶縁層の前記無機材料の空隙に有機材料を含浸する工程と、
絶縁層に樹脂層を介して前記金属導体板を接着する工程を有することを特徴とする電子回路基板の製造方法。 Forming an insulating layer having an inorganic material on a metal plate by an aerosol deposition method;
Impregnating the voids of the inorganic material of the insulating layer with an organic material;
A method for manufacturing an electronic circuit board, comprising the step of adhering the metal conductor plate to an insulating layer through a resin layer.
エアロゾルデポジション法により前記金属板に前記無機材料を形成する工程が、前記金属板に前記有機材料が含浸する空隙のない無機材料を形成する工程と、前記空隙のない無機材料に有機材料が含浸する空隙のある無機材料を形成する工程を有することを特徴とする電子回路基板の製造方法。 A method of manufacturing an electronic circuit board according to claim 16,
The step of forming the inorganic material on the metal plate by an aerosol deposition method, the step of forming an inorganic material without voids impregnated with the organic material on the metal plate, and the impregnation of the inorganic material without voids with the organic material A method for producing an electronic circuit board, comprising the step of forming an inorganic material having voids.
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