JP2013168421A - Wiring board and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wiring board which deals with large power use and is excellent in heat radiation performance, which is easily manufactured with a small number of work hours and is suitable for power electronics devices, and to provide a manufacturing method of the wiring board.SOLUTION: Multiple holes, opening on a surface of an insulation layer disposed on a base substrate, are formed, and then a granular metal material is jetted by a heated and compressed gas to dispose the granular metal material into the multiple holes of the insulation layer. Further, the granular metal material is disposed so as to cover openings of the multiple holes and a metal wiring pattern is formed on the surface of the insulation layer to manufacture the wiring board.

Description

本発明は、配線基板およびその製造方法に関し、特に大電力を用いる民生機器や産業機器、電気自動車などに搭載される電力制御機器など、パワーエレクトロニクス機器に適用できる配線基板およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a wiring board and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a wiring board applicable to power electronics equipment such as consumer electronics, industrial equipment, and electric power control equipment mounted on an electric vehicle, and a manufacturing method thereof.

家庭用のエアコン、冷蔵庫などの民生機器や、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器から電気自動車まで、大きな電力を使用する機器は、環境保護意識の高まりに伴う省エネ要請に応える必要がある。そのため、使用される電源装置および制御装置には高効率で制御が可能なパワー半導体素子、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を搭載した制御モジュールが広範囲にわたって適用されている。しかしながら、これらの制御モジュールは、配線回路上の金属配線や搭載する電子部品に大電流を流すと同時に多量の熱の発生を伴う。このような発熱に対処するため、厚手の金属箔や金属板により構成される金属配線パターンを形成した、セラミック配線基板が用いられている。   Consumer equipment such as home air conditioners and refrigerators, and industrial equipment such as inverters and servo controllers, to electric vehicles, and other equipment that use large amounts of power need to meet energy-saving demands associated with heightened environmental protection awareness. For this reason, power modules and control devices that are used have a wide range of control modules equipped with power semiconductor elements that can be controlled with high efficiency, for example, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). However, these control modules cause a large amount of heat to flow at the same time as flowing a large current through metal wiring on the wiring circuit and electronic components to be mounted. In order to cope with such heat generation, a ceramic wiring board having a metal wiring pattern formed of a thick metal foil or metal plate is used.

図１は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を使用した従来の制御モジュール１００の構造を示す断面図である。図１に示すように、配線基板１１０は、金属材料で形成されたベース基板１０１と、ベース基板１０１上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の表面に形成された金属配線パターン（回路パターン）１０８との３層構造を有する。金属配線パターン１０８は、使用する電力（電流容量）に応じた厚みの金属材料として銅箔が用いられる。絶縁層１０２は、絶縁材料として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料を用いて形成されている。ベース基板１０１は、放熱性に優れたアルミニウム板や銅板などの金属材料により形成されている。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional control module 100 using a power semiconductor element such as an IGBT. As shown in FIG. 1, a wiring substrate 110 includes a base substrate 101 made of a metal material, an insulating layer 102 formed on the base substrate 101, and a metal wiring pattern (circuit) formed on the surface of the insulating layer 102. Pattern) 108 and a three-layer structure. For the metal wiring pattern 108, copper foil is used as a metal material having a thickness corresponding to the electric power (current capacity) to be used. The insulating layer 102 is formed using a ceramic material such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or aluminum nitride (AlN) as an insulating material. The base substrate 101 is formed of a metal material such as an aluminum plate or a copper plate that is excellent in heat dissipation.

配線基板１１０の金属配線パターン１０８上には、金属接合層１０７（例えば錫を主体としたハンダなど）を介して、パワー半導体素子１０３が接合されている。また、パワー半導体素子１０３の図示上面の電極は、金属ワイヤ線１０４を用いて金属配線パターン１０８に接合（ボンディング）されている。この金属配線パターン１０８には外部導通線１０５が接続されている。配線基板１１０において、絶縁層１０２は接合金属層１０９を介してベース基板１０１に接合されており、ベース基板１０１は放熱板１０６と接合されている。   The power semiconductor element 103 is bonded onto the metal wiring pattern 108 of the wiring substrate 110 via a metal bonding layer 107 (for example, solder mainly composed of tin). In addition, the electrode on the upper surface of the power semiconductor element 103 is bonded (bonded) to the metal wiring pattern 108 using the metal wire wire 104. An external conductive line 105 is connected to the metal wiring pattern 108. In the wiring substrate 110, the insulating layer 102 is bonded to the base substrate 101 through the bonding metal layer 109, and the base substrate 101 is bonded to the heat sink 106.

上述した従来の配線基板１１０の構成において、パワー半導体素子１０３で制御する電力量が増加すると、配線抵抗を下げるために金属配線パターン１０８の面積を広くするか、厚みを厚くする必要がある。また、パワー半導体素子１０３の性能を最大限に引き出し、高い信頼性を確保するためには、パワー半導体素子１０３から発生する熱を、セラミック材料により形成された絶縁層１０２を介して、ベース基板１０１および放熱板１０６から速やかに放熱させる必要がある。   In the configuration of the conventional wiring substrate 110 described above, when the amount of power controlled by the power semiconductor element 103 increases, it is necessary to increase the area of the metal wiring pattern 108 or increase the thickness in order to reduce the wiring resistance. Further, in order to maximize the performance of the power semiconductor element 103 and ensure high reliability, heat generated from the power semiconductor element 103 is transferred to the base substrate 101 via the insulating layer 102 formed of a ceramic material. It is necessary to quickly dissipate heat from the heat sink 106.

このため、発生した熱を絶縁層１０２の厚み方向に素早く伝導させると同時に、金属配線パターン１０８の面方向に広げて熱抵抗を下げることが放熱性能向上には有効である。金属配線パターン１０８の配線面積を拡大すると機器の大型化などに繋がるため、配線面積を拡大することよりも金属配線パターン１０８を厚手の金属材料で構成することが望まれている。一般的にこのような金属配線パターン１０８の厚みは数十から数百μｍであるが、金属配線パターン１０８を構成する銅箔の厚みを１ｍｍ以上、例えば３〜１０ｍｍの厚みにすれば、ヒートスプレッダ効果が発揮され、パワー半導体素子１０３で発生した熱は面方向へ広がり熱抵抗は大幅に低減されることになる。   For this reason, it is effective for improving the heat radiation performance to quickly conduct the generated heat in the thickness direction of the insulating layer 102 and simultaneously reduce the heat resistance by spreading it in the surface direction of the metal wiring pattern 108. Enlarging the wiring area of the metal wiring pattern 108 leads to an increase in the size of the device. Therefore, it is desired that the metal wiring pattern 108 be made of a thick metal material rather than increasing the wiring area. Generally, the thickness of the metal wiring pattern 108 is several tens to several hundreds of μm. However, if the thickness of the copper foil constituting the metal wiring pattern 108 is 1 mm or more, for example, 3 to 10 mm, the heat spreader effect The heat generated in the power semiconductor element 103 spreads in the surface direction, and the thermal resistance is greatly reduced.

そのため、絶縁層１０２上に所望する任意の厚み（肉厚）の金属配線パターン１０８を形成することで、大電力使用が可能で、高い放熱性が要求されるパワーエレクトロニクス機器に適した配線基板を提供することができる。   Therefore, by forming a metal wiring pattern 108 having any desired thickness (thickness) on the insulating layer 102, a wiring board suitable for power electronics equipment that can be used with high power and requires high heat dissipation is provided. Can be provided.

特許第４５９５６６５号Japanese Patent No. 4595665 特開２００８−１２４１５８号公報JP 2008-124158 A

肉厚の金属配線パターン１０８を絶縁層１０２となるセラミック基板上に形成する方法として、例えば、図２（ａ）〜（ｇ）に示すような方法が用いられている。この方法では、セラミック基板を一度作成し、その両面に銅箔などの金属層を接合した後、回路パターン形成面にエッチング加工等で回路パターンを有する金属配線パターンを形成している。   As a method for forming the thick metal wiring pattern 108 on the ceramic substrate to be the insulating layer 102, for example, a method as shown in FIGS. 2A to 2G is used. In this method, a ceramic substrate is formed once, a metal layer such as a copper foil is bonded to both surfaces thereof, and then a metal wiring pattern having a circuit pattern is formed on the circuit pattern forming surface by etching or the like.

しかしながら、金属配線パターン１０８の厚みが１ｍｍ以上の肉厚となると、図２（ｃ）に示すような回路パターンを加工するためのエッチング工程において、加工精度が低下すると同時に、厚みに比例して加工時間が長くなる。そのため、金属配線パターン１０８を厚くすることが困難であるという課題がある。さらに次の工程では、金属配線パターン１０８が接合された状態のセラミック基板（絶縁層１０２）を、ベース基板１０１にハンダ等の接合材料で接合する工程を含むなど、数多くの製造工程（工数）が必要となる。   However, when the thickness of the metal wiring pattern 108 is 1 mm or more, in the etching process for processing the circuit pattern as shown in FIG. The time will be longer. Therefore, there is a problem that it is difficult to make the metal wiring pattern 108 thick. Further, in the next process, there are many manufacturing processes (man-hours) including a process of bonding the ceramic substrate (insulating layer 102) with the metal wiring pattern 108 bonded to the base substrate 101 with a bonding material such as solder. Necessary.

上述したエッチング工程を用いずに、金属配線パターン１０８の部分のみを厚手（肉厚）の銅箔や銅板などで作成する場合は、例えば銅板を予めプレス加工などで回路パターン形状に打ち抜いた後、絶縁層１０２となるセラミック基板上に金属拡散接合法により接合する方法などが用いられる。しかしながら、金属拡散接合法を用いて接合を行うためには１０００℃以上の高温プロセスが必要である。そのため、絶縁層１０２を構成するセラミック基板と厚手の銅板などで作成した金属配線パターン１０８との接合時に、熱膨張係数の違いや配線パターンの形状差により、セラミック基板に反りや歪が発生し（冷却時のバイメタル効果）、結果として安定した品質での生産が困難であるという課題がある。さらにこの方法によれば、銅板などを回路パターン形状に打ち抜くためのプレス加工等が必要であり、金型の準備等が必須であるばかりでなく、パターン形状の変更や、板厚を任意の厚みに変更することが困難となる。そのため、品質確保やエッチングによる工法と同じく、多くの工程（工数）が必要である。   When only the metal wiring pattern 108 part is made of a thick (thick) copper foil or copper plate without using the above-described etching process, for example, after punching the copper plate into a circuit pattern shape by pressing or the like in advance, A method of bonding to a ceramic substrate to be the insulating layer 102 by a metal diffusion bonding method or the like is used. However, in order to perform bonding using the metal diffusion bonding method, a high temperature process of 1000 ° C. or higher is required. Therefore, when the ceramic substrate constituting the insulating layer 102 and the metal wiring pattern 108 made of a thick copper plate or the like are joined, warpage or distortion occurs in the ceramic substrate due to a difference in thermal expansion coefficient or a shape difference in the wiring pattern ( As a result, there is a problem that production with stable quality is difficult. Furthermore, according to this method, it is necessary to perform press processing for punching a copper plate or the like into a circuit pattern shape, and not only preparation of a mold is indispensable, but also the change of the pattern shape or an arbitrary thickness of the plate thickness. It becomes difficult to change to. For this reason, many processes (man-hours) are required as in the method of quality assurance and etching.

従来の別の配線基板の製造方法の説明図を図３に示す（例えば、特許文献１参照）。図３に示す製造方法では、ベース基板２０１上に設けた絶縁層２０２となるセラミック基板上に、例えば精度確保が容易で加工時間も短縮できる薄手の銅箔などを用いて、エッチング加工法で金属配線（回路パターン）２０３を形成する。その後、金属配線パターン２０３の上部にコールドスプレ法により金属材料２０４を積層して、厚みを上積みした上積み回路パターンを形成している。このような構造の配線基板では、パワー半導体素子２０５から発生する熱を上積した金属材料２０４で拡散させて、熱抵抗を低減することができる。   An explanatory view of another conventional method of manufacturing a wiring board is shown in FIG. 3 (see, for example, Patent Document 1). In the manufacturing method shown in FIG. 3, a metal film is formed by etching using a thin copper foil that can easily ensure accuracy and shorten processing time on a ceramic substrate that is to be an insulating layer 202 provided on a base substrate 201. A wiring (circuit pattern) 203 is formed. Thereafter, a metal material 204 is laminated on the upper part of the metal wiring pattern 203 by a cold spray method to form an upper circuit pattern in which the thickness is increased. In the wiring board having such a structure, the heat resistance can be reduced by diffusing the heat generated from the power semiconductor element 205 with the stacked metal material 204.

従来のさらに別の配線基板の製造方法の説明図を図４に示す（例えば、特許文献２参照）。図４に示す製造方法では、ベース基板３０１上に設けた絶縁層３０２となるセラミック基板上に金属配線パターン３０３を形成し、この金属配線パターン３０３上に、ハンダなどの接合金属３０４を介して金属ブロック３０５を予め接合し、この金属ブロック３０５上にコールドスプレ法にて金属材料を積層している。   An explanatory view of another conventional method for manufacturing a wiring board is shown in FIG. 4 (see, for example, Patent Document 2). In the manufacturing method shown in FIG. 4, a metal wiring pattern 303 is formed on a ceramic substrate serving as an insulating layer 302 provided on a base substrate 301, and a metal is formed on the metal wiring pattern 303 via a bonding metal 304 such as solder. The block 305 is joined in advance, and a metal material is laminated on the metal block 305 by a cold spray method.

しかしながら、上述した２つ例の配線基板の製造方法においては、絶縁層２０２、３０２の面上に銅箔などの金属層を接合した後、回路パターン形成面にエッチング加工等で回路パターンを形成し、絶縁層２０２、３０２となるセラミック基板上に金属配線パターン２０３、３０３を形成するまでの工程はこれまでの従来技術と同じである。その上にさらに加えてコールドスプレ工程や金属ブロック３０５の接合工程を追加する必要がある。また、予め形成した金属配線パターン２０２、３０２上に、コールドスプレ法で上積み回路（金属材料）を積層するためには、上積み部分以外へのコールドスプレ法による金属材料２０４、３０６の付着を防止するためのマスク治具２０６、３０７が必要になる。そのため、パワーエレクトロニクス機器に適した配線基板を、少ない工程（低価格）で製造、提供することができないという課題がある。   However, in the above-described two methods of manufacturing a wiring board, after a metal layer such as a copper foil is bonded on the surfaces of the insulating layers 202 and 302, a circuit pattern is formed on the circuit pattern formation surface by etching or the like. The process until the metal wiring patterns 203 and 303 are formed on the ceramic substrate to be the insulating layers 202 and 302 is the same as that of the prior art. In addition to this, it is necessary to add a cold spray process and a metal block 305 joining process. In addition, in order to stack the stacked circuit (metal material) on the metal wiring patterns 202 and 302 formed in advance by the cold spray method, the adhesion of the metal materials 204 and 306 by the cold spray method to other than the stacked portion is prevented. Therefore, the mask jigs 206 and 307 are required. Therefore, there is a problem that a wiring board suitable for power electronics equipment cannot be manufactured and provided with a small number of steps (low cost).

従って、本発明の目的は、上記課題を解決することにあって、放熱性に優れ、少ない工数で製造が容易な、大電力使用に対応したパワーエレクトロニクス機器に適した配線基板およびその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a wiring board suitable for power electronics equipment compatible with high power use and excellent in heat dissipation, easy to manufacture with a small number of man-hours, and a method for manufacturing the same. It is to provide.

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

本発明の第１態様によれば、ベース基板と、ベース基板上に配置され、表面に開口する複数の孔が形成された絶縁層と、絶縁層の表面に配置された金属配線パターンとを備え、金属配線パターンは粒状の金属材料同士が接合されて形成され、絶縁層の表面に開口する複数の孔内に粒状の金属材料が配置されている、配線基板を提供する。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a base substrate, an insulating layer disposed on the base substrate and having a plurality of holes formed on the surface, and a metal wiring pattern disposed on the surface of the insulating layer. The metal wiring pattern provides a wiring substrate in which granular metal materials are joined to each other, and the granular metal material is disposed in a plurality of holes opened on the surface of the insulating layer.

本発明の第２態様によれば、絶縁層を貫通しないように複数の孔が形成されるとともに、隣接する孔同士が互いに独立して形成されている、第１態様に記載の配線基板を提供する。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the wiring board according to the first aspect, wherein a plurality of holes are formed so as not to penetrate the insulating layer, and adjacent holes are formed independently of each other. To do.

本発明の第３態様によれば、絶縁層表面の垂線に対して同じ方向に傾斜するように複数の孔が形成されている、第１態様または第２態様に記載の配線基板を提供する。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the wiring board according to the first aspect or the second aspect, wherein a plurality of holes are formed so as to incline in the same direction with respect to a normal to the surface of the insulating layer.

本発明の第４態様によれば、絶縁層表面の垂線方向に複数の孔が形成されている、第１態様または第２態様に記載の配線基板を提供する。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the wiring board according to the first aspect or the second aspect, wherein a plurality of holes are formed in a direction perpendicular to the surface of the insulating layer.

本発明の第５態様によれば、金属配線パターンの表面に配置された金属接合層をさらに備え、金属接合層は、金属配線パターンを形成する粒状の金属材料よりも低い融点を有する粒状の金属材料同士が接合されて形成されている、第１態様から第４態様のいずれか１つに記載の配線基板を提供する。   According to the fifth aspect of the present invention, the metal bonding layer is further provided on the surface of the metal wiring pattern, and the metal bonding layer is a granular metal having a melting point lower than that of the granular metal material forming the metal wiring pattern. The wiring board according to any one of the first to fourth aspects, wherein the materials are joined to each other.

本発明の第６態様によれば、ベース基板の絶縁層が配置されている面と反対側の面に、金属配線パターンより絶縁層およびベース基板を通じて伝熱される熱を放熱する放熱板が配置されている、第１態様から第５態様のいずれか１つに記載の配線基板を提供する。   According to the sixth aspect of the present invention, the heat radiating plate for dissipating heat transferred from the metal wiring pattern through the insulating layer and the base substrate is disposed on the surface of the base substrate opposite to the surface on which the insulating layer is disposed. A wiring board according to any one of the first to fifth aspects is provided.

本発明の第７態様によれば、ベース基板上に配置された絶縁層の表面に開口する複数の孔を形成する第１工程と、加熱および加圧したガスにより粒状の金属材料を噴射して、絶縁層の複数の孔内に粒状の金属材料を配置するとともに、複数の孔の開口を覆うように粒状の金属材料を配置して、絶縁層の表面に金属配線パターンを形成する第２工程と、を含む、配線基板の製造方法を提供する。   According to the seventh aspect of the present invention, the first step of forming a plurality of holes opening on the surface of the insulating layer disposed on the base substrate, and the granular metal material is injected by the heated and pressurized gas A second step of forming a metal wiring pattern on the surface of the insulating layer by disposing the granular metal material in the plurality of holes of the insulating layer and disposing the granular metal material so as to cover the openings of the plurality of holes A method for manufacturing a wiring board is provided.

本発明の第８態様によれば、第２工程において、絶縁層表面の垂線に対して傾斜した方向より粒状の金属材料を噴射する、第７態様に記載の配線基板の製造方法を提供する。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the method for manufacturing a wiring board according to the seventh aspect, wherein in the second step, the granular metal material is sprayed from a direction inclined with respect to the normal to the surface of the insulating layer.

本発明の第９態様によれば、第１工程において、レーザ照射により絶縁層を貫通しないように複数の孔が形成されるとともに、隣接する孔同士が互いに独立して形成される、第７態様または第８態様に記載の配線基板の製造方法を提供する。   According to the ninth aspect of the present invention, in the first step, a plurality of holes are formed so as not to penetrate the insulating layer by laser irradiation, and adjacent holes are formed independently of each other. Or the manufacturing method of the wiring board as described in an 8th aspect is provided.

本発明の第１０態様によれば、第１工程において、絶縁層表面の垂線に対して同じ方向に傾斜するように複数の孔が形成され、第２工程において、粒状の金属材料の噴射方向が複数の孔の傾斜方向と同じ方向である、第８態様に記載の配線基板の製造方法を提供する。   According to the tenth aspect of the present invention, in the first step, a plurality of holes are formed so as to be inclined in the same direction with respect to the normal to the surface of the insulating layer, and in the second step, the injection direction of the granular metal material is The manufacturing method of the wiring board as described in the 8th aspect which is the same direction as the inclination direction of a some hole is provided.

本発明の第１１態様によれば、第１工程において、絶縁層表面の垂線方向に複数の孔が形成される、第７態様から第９態様のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法を提供する。   According to the eleventh aspect of the present invention, in the first step, the method for manufacturing a wiring board according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein a plurality of holes are formed in a direction perpendicular to the surface of the insulating layer. I will provide a.

本発明の第１２態様によれば、第２工程において、粒状の金属材料同士が接合されて絶縁層の表面に形成された金属層の表面に、加熱および加圧したガスにより粒状の金属材料をさらに噴射することにより、金属層を積層して、所望の厚みを有する金属配線パターンを形成する、第７態様から第１１態様のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法を提供する。   According to the twelfth aspect of the present invention, in the second step, the granular metal material is bonded to the surface of the metal layer formed on the surface of the insulating layer by joining the granular metal materials with heated and pressurized gas. Furthermore, the manufacturing method of the wiring board according to any one of the seventh aspect to the eleventh aspect, in which the metal layers are laminated by forming the metal wiring pattern to form a metal wiring pattern having a desired thickness.

本発明の第１３態様によれば、第２工程の後、金属配線パターンを形成する粒状の金属材料よりも低い融点を有する粒状の金属材料を、加熱および加圧したガスにより噴射して、金属配線パターンの表面に金属接合層を形成する第３工程を、さらに含む、第７態様から第１２態様のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法を提供する。   According to the thirteenth aspect of the present invention, after the second step, a granular metal material having a melting point lower than that of the granular metal material forming the metal wiring pattern is sprayed with a heated and pressurized gas, The manufacturing method of the wiring board as described in any one of the 7th aspect to the 12th aspect further including the 3rd process of forming a metal bonding layer in the surface of a wiring pattern is provided.

本発明の第１４態様によれば、ベース基板上に絶縁材料を噴射して積層させることにより絶縁層が形成される、第７態様から第１３態様のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法を提供する。   According to a fourteenth aspect of the present invention, in the manufacture of a wiring board according to any one of the seventh to thirteenth aspects, the insulating layer is formed by spraying and laminating an insulating material on the base substrate. Provide a method.

本発明によれば、ベース基板上に配置された絶縁層の表面に開口する複数の孔内に、粒状の金属材料を配置させるとともに、複数の孔を覆うように粒状の金属材料を配置して、絶縁層の表面に金属配線パターンを形成している。そのため、粒状の金属材料の噴射量などを制御することにより、所望の厚み（肉厚）の金属配線パターンを簡単に製作できる。また、絶縁層に形成された複数の孔内に粒状の金属材料を配置させることで、金属配線パターンと絶縁層とを簡単に接合することができる。このため、大電力用途にも対応できヒートスプレッダ効果による放熱性に優れた、パワーエレクトロニクス機器に適した配線基板を提供することができる。それとともに、このような配線基板を少ない工数（低価格）で製作できる製造方法を提供することができる。   According to the present invention, the granular metal material is disposed in the plurality of holes opened on the surface of the insulating layer disposed on the base substrate, and the granular metal material is disposed so as to cover the plurality of holes. A metal wiring pattern is formed on the surface of the insulating layer. Therefore, a metal wiring pattern having a desired thickness (thickness) can be easily manufactured by controlling the injection amount of the granular metal material. Moreover, a metal wiring pattern and an insulating layer can be easily joined by arrange | positioning a granular metal material in the some hole formed in the insulating layer. For this reason, it is possible to provide a wiring board suitable for power electronics equipment that can be used for high power applications and has excellent heat dissipation due to the heat spreader effect. In addition, it is possible to provide a manufacturing method capable of manufacturing such a wiring board with a small number of steps (low cost).

従来の配線基板を用いた制御モジュールの構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the control module using the conventional wiring board 従来の配線基板の製造方法の説明図Explanatory drawing of the manufacturing method of the conventional wiring board 従来の配線基板の製造方法の説明図Explanatory drawing of the manufacturing method of the conventional wiring board 従来の配線基板の製造方法の説明図Explanatory drawing of the manufacturing method of the conventional wiring board 本発明の実施の形態に係る配線基板を用いた制御モジュールの構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the control module using the wiring board which concerns on embodiment of this invention 図５の配線基板における絶縁層の部分拡大断面図Partial expanded sectional view of the insulating layer in the wiring board of FIG. 図５の配線基板における金属配線パターンの製作工程を示す断面図Sectional drawing which shows the manufacturing process of the metal wiring pattern in the wiring board of FIG. 図５の配線基板における金属配線パターンの製作工程を示す平面図The top view which shows the manufacturing process of the metal wiring pattern in the wiring board of FIG. 本発明の変形例に係る配線基板の金属配線パターンの製作工程を示す断面図Sectional drawing which shows the manufacturing process of the metal wiring pattern of the wiring board which concerns on the modification of this invention 本発明の実施の形態に係る配線基板において、粒状の金属材料の挙動を説明する断面図Sectional drawing explaining the behavior of a granular metal material in the wiring board which concerns on embodiment of this invention 本発明の変形例に係る配線基板の製作工程を示す断面図Sectional drawing which shows the manufacturing process of the wiring board which concerns on the modification of this invention. 本発明の実施の形態に係る配線基板において、粒状の金属材料の接合状態を示す模式図The schematic diagram which shows the joining state of a granular metal material in the wiring board which concerns on embodiment of this invention.

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

以下の図面においては、説明の簡潔化のために、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されない。   In the following drawings, components having substantially the same function are denoted by the same reference numerals for the sake of brevity. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

図５は、本発明の一の実施の形態に係る配線基板１０を用いた制御モジュール１の構成を示す断面図である。本実施の形態の配線基板１０は、ベース基板１１と、ベース基板１１上に配置された絶縁層１２と、絶縁層１２の表面に配置された金属配線パターン１３との三層構造を有している。配線基板１０の金属配線パターン１３上には半導体素子１５などの電子部品が接合層１６（金属接合層）や、金属ワイヤ線１７を介して搭載されている。外部導通端子１８は、金属ワイヤ線１７を接合した金属配線パターン１３上に設けられている。また、ベース基板１１には、絶縁層１２を介して伝達された熱を放熱するための放熱板（ヒートシンクなど）１９に接合されている。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the control module 1 using the wiring board 10 according to one embodiment of the present invention. The wiring substrate 10 of the present embodiment has a three-layer structure of a base substrate 11, an insulating layer 12 disposed on the base substrate 11, and a metal wiring pattern 13 disposed on the surface of the insulating layer 12. Yes. On the metal wiring pattern 13 of the wiring substrate 10, electronic components such as the semiconductor element 15 are mounted via a bonding layer 16 (metal bonding layer) and metal wire wires 17. The external conduction terminal 18 is provided on the metal wiring pattern 13 to which the metal wire 17 is joined. The base substrate 11 is joined to a heat radiating plate (such as a heat sink) 19 for radiating heat transmitted through the insulating layer 12.

ベース基板１１には、配線基板１０に搭載された半導体素子１５などの電子部品の発熱を速やかに拡散放熱させるために、放熱性に優れた材料が用いられる。例えば、比較的安価で放熱性に優れたアルミニュウムや銅などの金属材料が用いられている。更なる放熱性能の向上のために、高熱伝導グラファファイト材や、ダイヤモンドライクカーボンなどの熱伝導に優れた材料、さらにこれらの材料と各種の金属材料などを組合せた複合材を、ベース基板１１の形成材料に用いても良い。   For the base substrate 11, a material having excellent heat dissipation is used in order to quickly diffuse and dissipate heat generated by electronic components such as the semiconductor elements 15 mounted on the wiring substrate 10. For example, metal materials such as aluminum and copper that are relatively inexpensive and excellent in heat dissipation are used. In order to further improve the heat dissipation performance, a material with excellent heat conduction such as a high thermal conductivity graphafite material, diamond-like carbon, and a composite material obtained by combining these materials with various metal materials are used for the base substrate 11. It may be used as a forming material.

ベース基板１１に接合された絶縁層１２は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどのセラミック材料により形成されたセラミック層や、セラミックフィラーを混練したエポキシなどの耐熱性樹脂基板で構成される。絶縁層１２は、ベース基板１１上に必要に応じて下地処理を施した後、高温ガスやプラズマで溶融させたセラミック材料を、高圧で直接吹き付けて成膜する溶射工法や、セラミック粒子などを粒子状態のまま高速で衝突させ積層する方法や本明細書に示すコールドスプレ法などにより、接合金属を介さずに直接ベース基板１１上に形成される。   The insulating layer 12 bonded to the base substrate 11 is a ceramic layer formed of a ceramic material such as silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, boron nitride, or aluminum nitride, or a heat resistant resin substrate such as epoxy kneaded with a ceramic filler. Consists of. The insulating layer 12 may be formed by spraying a ceramic material melted with a high-temperature gas or plasma directly on the base substrate 11 as necessary, and then spraying it at a high pressure to form a film or ceramic particles. It is formed directly on the base substrate 11 without using a bonding metal by a method of stacking by colliding at a high speed in a state or a cold spray method shown in this specification.

このような方法によれば、セラミック基板を個別に作成する工程や、絶縁層１２を構成するセラミック基板と放熱器である金属のベース基板１１との接合工程などの、多くの複雑な工程（工数）を省くことができる。また、後述する配線基板の製造プロセスを共用できるため、工程の簡素化が可能になる利点を有する。   According to such a method, many complicated steps (man-hours) such as a step of individually producing a ceramic substrate and a step of joining the ceramic substrate constituting the insulating layer 12 and the metal base substrate 11 which is a radiator are included. ) Can be omitted. Moreover, since the manufacturing process of the wiring board mentioned later can be shared, it has the advantage that a process can be simplified.

ここで、絶縁層１２の表面の部分拡大断面を図６（ａ）および（ｂ）に示す。図６（ａ）に示すように、絶縁層１２の表面には複数の孔１４が開口するように形成されている（第１工程）。それぞれの孔１４は、絶縁層１２の表面の垂線Ａに対して平行な方向（すなわち、垂線方向）に形成されている。このように絶縁層１２の表面の垂線Ａに対して平行な方向に形成されるような場合に代えて、図６（ｂ）に示すように、垂線Ａに対して傾斜角θにて傾斜した方向にそれぞれの孔１４が形成されていても良い。図６（ｂ）に示す例では、それぞれの孔１４が同じ方向に傾斜して形成されている。これらの孔１４は、例えばＮＣドリル加工機や、ヤグレーザやＣＯ２レーザ加工機により穿孔加工して形成される。穿孔された開口を有する孔１４は、例えば、図８に示すように、隣接する孔１４同士が独立して形成されるような場合、あるいは隣接する孔１４の壁の一部が除去されて隣接する孔１４同士が一部連通して形成されるような場合（それぞれの孔１４が連なって溝が形成される場合を含む）のいずれであっても良い。ただし、後述する孔１４によるアンカー効果を好適に得るという観点からは、それぞれの孔１４が独立して形成されていることが好ましい。また、それぞれの孔１４は、絶縁層１２を貫通しないように形成されており、後述するように粒状の金属材料が孔１４内に充填されても、絶縁層１２による厚み方向の電気的絶縁性が確保される。 Here, the partial expanded cross section of the surface of the insulating layer 12 is shown to Fig.6 (a) and (b). As shown in FIG. 6A, a plurality of holes 14 are formed in the surface of the insulating layer 12 so as to open (first step). Each hole 14 is formed in a direction parallel to the vertical line A on the surface of the insulating layer 12 (that is, the vertical direction). Instead of being formed in a direction parallel to the normal A to the surface of the insulating layer 12 as described above, it is inclined at an inclination angle θ with respect to the vertical A as shown in FIG. Each hole 14 may be formed in the direction. In the example shown in FIG. 6B, each hole 14 is formed to be inclined in the same direction. These holes 14 are formed by drilling with, for example, an NC drill machine, a yag laser, or a CO 2 laser machine. For example, as shown in FIG. 8, the holes 14 having the perforated openings are adjacent to each other when the adjacent holes 14 are formed independently, or a part of the wall of the adjacent holes 14 is removed. Any of the cases where the holes 14 to be formed are partly connected to each other (including the case where the holes 14 are connected to form a groove) may be used. However, it is preferable that each hole 14 is formed independently from the viewpoint of suitably obtaining an anchor effect by the holes 14 described later. In addition, each hole 14 is formed so as not to penetrate the insulating layer 12, and as described later, even if a granular metal material is filled in the hole 14, electrical insulation in the thickness direction by the insulating layer 12. Is secured.

開口を有する複数の孔１４の大きさや深さは、形成したい所望の金属配線パターンの幅や厚みにより任意に選択できる。例えば、配線幅および厚みが共に１〜３ｍｍ程度であれば、孔１４の孔径は５０〜５００μｍ、深さは０．０５〜１ｍｍ程度である。また、孔１４の配列は、図８に示すように、例えばマトリクス配置や市松配置など任意の配置を選択することができる。なお、孔１４は、上述したように例えばＮＣドリル加工機や、ヤグレーザやＣＯ２レーザ加工機を用いて加工するため、孔径や、深さ、配列・配置等は、加工機の加工条件（プログラムなど）を調整することにより、簡単に設定することや変更することが可能である。 The size and depth of the plurality of holes 14 having openings can be arbitrarily selected depending on the width and thickness of a desired metal wiring pattern to be formed. For example, if both the wiring width and thickness are about 1 to 3 mm, the hole 14 has a hole diameter of 50 to 500 μm and a depth of about 0.05 to 1 mm. Further, as shown in FIG. 8, for the arrangement of the holes 14, for example, an arbitrary arrangement such as a matrix arrangement or a checkerboard arrangement can be selected. Since the holes 14 are processed using, for example, an NC drill processing machine, a yag laser, or a CO 2 laser processing machine as described above, the hole diameter, depth, arrangement / arrangement, etc. are determined according to the processing conditions of the processing machine (program Etc.) can be easily set and changed.

次に、金属配線パターン１３の形成方法について、図７〜図１０を用いて説明する。絶縁層１２上の金属配線パターン１３は、加熱・加圧したガス噴流２２により粒状の金属材料２３を絶縁層１２上に噴射して積層することにより形成される（第２工程）。以下に詳細を説明する。   Next, a method for forming the metal wiring pattern 13 will be described with reference to FIGS. The metal wiring pattern 13 on the insulating layer 12 is formed by spraying and laminating a granular metal material 23 on the insulating layer 12 by a heated and pressurized gas jet 22 (second step). Details will be described below.

図７に示すように、ヒータ２５により加熱（約３００〜５００℃程度）した噴射ノズル２０内に、加圧（約２〜１０バール程度）した空気、窒素ガス、またはアルゴンガスなどのガスをガス供給源２１より供給して加熱噴流２２を形成する。この加熱噴流２２の中に金属配線パターン１３を構成する粒状の金属材料２３（例えば銅、銀、アルミニウム、ニッケル、金、錫の何れか一種もしくはこれらの合金による金属粒子や、これら金属粒子にビスマス、チタン，モリブデンなどの金属を加えた合金または混合物などからなる金属粒子）をホッパ２４から供給する。粒状の金属材料２３は加熱噴流２２により加熱され、表層のごく一部が加熱溶融（あるいは軟化）した状態で、ガス圧により噴射ノズル２０より噴射飛翔し、絶縁層１２上に付着する。なお、粒状の金属材料２３の大きさは、５〜５０μｍ程度が望ましいが、必要に応じて任意に選択することができる。   As shown in FIG. 7, a gas such as pressurized air (about 2 to 10 bar), nitrogen gas, or argon gas is injected into the injection nozzle 20 heated by the heater 25 (about 300 to 500 ° C.). A heated jet 22 is formed by supplying from a supply source 21. A granular metal material 23 (for example, any one of copper, silver, aluminum, nickel, gold, and tin, or an alloy thereof, or bismuth added to these metal particles in the heating jet 22 is used for forming the metal wiring pattern 13. , Metal particles made of an alloy or a mixture containing a metal such as titanium or molybdenum) is supplied from the hopper 24. The granular metal material 23 is heated by the heated jet 22, and in a state where only a part of the surface layer is heated and melted (or softened), the granular metal material 23 is jetted and ejected from the jet nozzle 20 by the gas pressure, and adheres on the insulating layer 12. In addition, although the magnitude | size of the granular metal material 23 is desirable about 5-50 micrometers, it can select arbitrarily as needed.

例えば、図１に示す従来の配線基板１１０のように平滑な絶縁層１０２（すなわち、孔１４が形成されていない絶縁層１０２）を用いて、粒状の金属粒子２３を噴射するような場合にあっては、平滑な絶縁層１０２の表面と粒状の金属材料２３との密着性が悪いため、粒状の金属材料２３が付着せず剥離しやすくなることが考えられる。本実施の形態の配線基板１０では、上述したように絶縁層１２上に機械加工やレーザ照射により穿った複数の非貫通の孔１４を形成している。そのため、複数の孔１４内には噴射された粒状の金属材料２３が充填され、さらに孔１４の開口部分を覆うように粒状の金属材料２３が積層される。このような孔１４を用いた構造では、孔１４内に充填された粒状の金属材料２３が積層された金属材料２３と絶縁層１２との間の連結部材としての役割を担うため、絶縁層１２と粒状の金属材料２３とを強く接合させるアンカー効果をもたせることができる。   For example, there is a case where granular metal particles 23 are sprayed using a smooth insulating layer 102 (that is, the insulating layer 102 in which the holes 14 are not formed) as in the conventional wiring substrate 110 shown in FIG. In this case, since the adhesion between the surface of the smooth insulating layer 102 and the granular metal material 23 is poor, it is conceivable that the granular metal material 23 does not adhere and easily peels off. In the wiring board 10 of the present embodiment, as described above, a plurality of non-through holes 14 formed by machining or laser irradiation are formed on the insulating layer 12. Therefore, the injected granular metal material 23 is filled in the plurality of holes 14, and the granular metal material 23 is laminated so as to cover the opening portion of the hole 14. In such a structure using the holes 14, the insulating layer 12 serves as a connecting member between the metal material 23 in which the granular metal material 23 filled in the holes 14 is laminated and the insulating layer 12. It is possible to have an anchor effect that strongly bonds the granular metal material 23 to each other.

特に、絶縁層１２の表面の垂線Ａに対して傾斜した方向（傾斜角度θ：例えば約１０〜８０度）に傾けて複数の孔１４を形成すると共に、噴射ノズル２０を孔１４の傾斜角度θと同じ角度傾けた状態で粒状の金属材料２３を噴射することで、それぞれの孔１４への粒状の金属材料２３の充填をより安定して確実に行うことができる。そのため、剥離しにくい金属配線パターン１３を製作することができる。なお、それぞれの孔１４内には、上述したアンカー効果を発揮できる程度に粒状の金属材料２３が充填（すなわち一部充填）されていればよく、完全に充填されている場合のみに限られない。   In particular, the plurality of holes 14 are formed in a direction inclined with respect to the normal A to the surface of the insulating layer 12 (inclination angle θ: for example, about 10 to 80 degrees), and the injection nozzle 20 is inclined with respect to the inclination angle θ of the hole 14 By injecting the granular metal material 23 in the state inclined at the same angle, the filling of the granular metal material 23 into each hole 14 can be performed more stably and reliably. Therefore, the metal wiring pattern 13 that is difficult to peel off can be manufactured. It should be noted that each hole 14 only needs to be filled (that is, partially filled) with the granular metal material 23 to such an extent that the anchor effect described above can be exhibited, and is not limited to the case where it is completely filled. .

また、絶縁層１２の表面に複数の孔１４を形成して、それぞれの孔１４内に粒状の金属材料２３を充填させた状態にて金属配線パターン１３を形成することにより、金属配線パターン１３と絶縁層１２との間の接合界面の表面積を増加することができる。したがって、金属配線パターン１３から絶縁層１２へと厚み方向の熱伝達性を高めることができ、ヒートスプレッド効果に加えて配線基板１０における放熱機能を高めることができる。   In addition, by forming a plurality of holes 14 on the surface of the insulating layer 12 and filling each hole 14 with a granular metal material 23, the metal wiring pattern 13 is formed. The surface area of the joint interface with the insulating layer 12 can be increased. Therefore, the heat transfer property in the thickness direction from the metal wiring pattern 13 to the insulating layer 12 can be enhanced, and the heat dissipation function in the wiring substrate 10 can be enhanced in addition to the heat spread effect.

ここで、粒状の金属材料２３同士の接合状態について、図１２の模式図を用いて説明する。図１２に示すように、粒状の金属材料２３が加熱されると、表層のみが溶融された状態となる。このような状態にてガス圧により噴射されて絶縁層１２の表面あるいは孔１４の内面などに付着すると、隣接する粒状の金属材料２３同士が溶融された表層を介して接合されることになる。また、全体ではなく表層のみが溶融された状態にあるため、接合された粒状の金属材料２３同士が低抵抗にて電気的に導通された状態となる。また、このように接合された粒状の金属材料２３は、表層の一部にて互いに接合された状態にあるが、表層を除く部分では粒状の形態が保持されているため、隣接する粒状の金属材料２３の間には一部空隙が存在した状態となっている。   Here, the joining state of the granular metal materials 23 will be described with reference to the schematic diagram of FIG. As shown in FIG. 12, when the granular metal material 23 is heated, only the surface layer is melted. When jetted by gas pressure in such a state and adhered to the surface of the insulating layer 12 or the inner surface of the hole 14, the adjacent granular metal materials 23 are joined together through the melted surface layer. Moreover, since only the surface layer is melted, not the whole, the joined granular metal materials 23 are electrically connected with low resistance. Further, the granular metal material 23 bonded in this way is in a state of being bonded to each other in a part of the surface layer, but the granular shape is maintained in the portion other than the surface layer, so that the adjacent granular metal There are some voids between the materials 23.

図８に示すように、絶縁層１２上に金属配線パターン１３を形成するため、金属配線による所望の回路パターンに沿って絶縁層１２上に複数の孔１４を配列・配置して形成する。その後、所望の回路パターンに沿って粒状の金属材料２３を噴射する噴射ノズル２０を、絶縁層１２の表面沿いの互いに直交する方向であるＸ方向およびＹ方向に移動させて、複数の孔１４を配列・配置した部分のみに粒状の金属材料２３を付着、積層させて所望の金属配線パターン１３のパターン形状を得る。また、噴射ノズル２０の移動に合わせて、噴射ノズル２０に供給するガスをオンデマンドで供給（すなわち、必要に応じてＯＮ−ＯＦＦ）することにより、金属配線パターンの１３の厚みを任意に変えることも可能である。   As shown in FIG. 8, in order to form the metal wiring pattern 13 on the insulating layer 12, a plurality of holes 14 are arranged and arranged on the insulating layer 12 along a desired circuit pattern by the metal wiring. Thereafter, the injection nozzle 20 that injects the granular metal material 23 along the desired circuit pattern is moved in the X direction and the Y direction that are orthogonal to each other along the surface of the insulating layer 12 to form the plurality of holes 14. A granular metal material 23 is attached and laminated only on the arranged and arranged portions to obtain a desired pattern shape of the metal wiring pattern 13. Further, the thickness of the metal wiring pattern 13 can be arbitrarily changed by supplying the gas supplied to the injection nozzle 20 on demand (that is, ON-OFF as necessary) in accordance with the movement of the injection nozzle 20. Is also possible.

上述した金属配線パターン１３形成の工程において、絶縁層１２上に孔１４を形成していない領域、すなわち金属配線パターン１３を形成しない領域の一部にも、噴射ノズル２０をから噴射された粒状の金属材料２３が付着することが懸念される。しかしながら、絶縁層１２に設けた孔１４と略同じ角度（例えば約１０〜８０度）に傾けて粒状の金属粒子２３を噴射することにより、絶縁層１２の表面において孔１４を形成していない部分への粒状の金属材料２３の付着量を抑制することができる。それとともに、付着した粒状の金属材料２３を絶縁層１２の表面からより簡単に剥離・除去することができる。   In the step of forming the metal wiring pattern 13 described above, the granular material sprayed from the spray nozzle 20 is also applied to a region where the hole 14 is not formed on the insulating layer 12, that is, a part of the region where the metal wiring pattern 13 is not formed. There is a concern that the metal material 23 adheres. However, a portion in which the hole 14 is not formed on the surface of the insulating layer 12 by injecting the granular metal particles 23 inclined at substantially the same angle (for example, about 10 to 80 degrees) as the hole 14 provided in the insulating layer 12. It is possible to suppress the amount of the granular metal material 23 attached to the surface. At the same time, the adhered granular metal material 23 can be more easily peeled and removed from the surface of the insulating layer 12.

これは、絶縁層１２の表面に対して傾斜方向の位置から粒状の金属材料２３が噴射される際に、図１０に示すように絶縁層１２上の孔１４が形成されていない部分では、粒状の金属材料２３は絶縁層１２の表面で軽く付着した状態になるが、このように付着した粒状の金属材料２３は孔１４によるアンカー効果を有さない。さらに、粒状の金属材料２３が絶縁層１２の表面上を矢印Ｂ方向に滑空しながら移動するため、粒状の金属粒子２３が絶縁層１２の表面に付着しにくくなる。また、僅かに付着した場合においても、噴射される粒状の金属材料２３が後から後から連続して滑空してくる、いわゆるショットブラスト効果により、付着した粒状の金属材料２３を剥離することができる。特に絶縁層１２がセラミック材料などにより形成されている場合、表面の硬度が金属材料２３に比して高いため、滑空してきた粒状の金属材料２３は絶縁層１２の表面で弾き飛ばされ、表面に付着しにくくなる。したがって、付着した不要な粒状の金属材料２３を除去するためのブラストや加振などの工程を、削減または簡素化することができる。   This is because, when the granular metal material 23 is sprayed from a position in the inclined direction with respect to the surface of the insulating layer 12, in the portion where the holes 14 on the insulating layer 12 are not formed as shown in FIG. The metal material 23 is lightly adhered on the surface of the insulating layer 12, but the granular metal material 23 thus adhered does not have an anchor effect due to the holes 14. Further, since the granular metal material 23 moves on the surface of the insulating layer 12 while gliding in the direction of arrow B, the granular metal particles 23 are less likely to adhere to the surface of the insulating layer 12. In addition, even when slightly adhered, the adhered granular metal material 23 can be peeled off by a so-called shot blasting effect in which the injected granular metal material 23 continuously glides afterwards. . In particular, when the insulating layer 12 is formed of a ceramic material or the like, the hardness of the surface is higher than that of the metal material 23. Therefore, the granular metal material 23 that has glide is blown off on the surface of the insulating layer 12, and is formed on the surface. It becomes difficult to adhere. Therefore, it is possible to reduce or simplify processes such as blasting and vibration for removing the adhering unnecessary granular metal material 23.

なお、噴射される粒状の金属材料２３は飛翔状態では粒状の形態を保っているが、絶縁層１２上の孔１４内に付着した後は、次々に噴射、飛翔してくる粒状の金属材料２３の衝突圧力と、表層が僅かに溶融（軟化）している粒状の金属材料２３同士の溶融接合により、金属配線に適した、緻密な金属配線層（金属配線パターン１３）を形成する。また、傾斜させて設けた孔１４のアンカー効果と相まって、繰り返し低温〜高温までの温度サイクルかけた際に発生する配線基板のたわみ応力を受けても剥離しにくくなる。   The granular metal material 23 to be ejected maintains a granular form in a flying state, but after adhering in the hole 14 on the insulating layer 12, the granular metal material 23 that is ejected and flying one after another. The dense metal wiring layer (metal wiring pattern 13) suitable for metal wiring is formed by the fusion pressure between the granular metal materials 23 whose surface layers are slightly melted (softened). Further, coupled with the anchor effect of the inclined holes 14, even when subjected to the flexural stress of the wiring board that is generated when the temperature cycle from low temperature to high temperature is repeated, it is difficult to peel off.

絶縁層１２上に連続する金属配線パターン１３を形成すると同時に、ヒートスプレッダ効果をもたせるために任意の厚み（肉厚）の金属配線パターン１３を形成するためには、次のような方法により実現できる。具体的には、粒状の金属粒子２３の定量噴射を複数回に分けて行う方法や、噴射ノズル２０から噴射する粒状の金属材料２３の供給量を増やす方法や、噴射ノズル２０の送り速度を可変するなどの噴射および加工条件（ガスの圧力、温度、ノズル径やノズルと絶縁層までの距離などの調整可能な条件）を調整する方法等により、粒状の金属材料２３の積層厚みを容易に制御することができる。特に、粒状の金属材料２３により形成された金属層の表面は、粒状の大きさに応じた微小な凹凸面とされているため、その上に粒状の金属材料２３をさらに噴射することにより、さらに金属層を効果的に積層することができる。したがって、１ｍｍ以上、例えば３〜１０ｍｍ程度の肉厚の金属配線パターン１３をより簡単な方法にて製作することができ、所望の厚みを有する金属配線パターン１３を用いてヒートスプレッド効果を得ることができる。また、金属配線パターン１３の一部分のみを他の部分と異なる厚みに形成することも可能である。   In order to form the continuous metal wiring pattern 13 on the insulating layer 12 and at the same time to form the metal wiring pattern 13 having an arbitrary thickness (thickness) in order to have a heat spreader effect, it can be realized by the following method. Specifically, the method of performing the quantitative injection of the granular metal particles 23 in a plurality of times, the method of increasing the supply amount of the granular metal material 23 injected from the injection nozzle 20, and the feed speed of the injection nozzle 20 are variable. The lamination thickness of the granular metal material 23 can be easily controlled by adjusting the injection and processing conditions (such as gas pressure, temperature, nozzle diameter and adjustable distance such as the distance between the nozzle and the insulating layer). can do. In particular, since the surface of the metal layer formed of the granular metal material 23 is a minute uneven surface according to the size of the particle, by further injecting the granular metal material 23 on the surface, A metal layer can be effectively laminated. Accordingly, the metal wiring pattern 13 having a thickness of 1 mm or more, for example, about 3 to 10 mm can be manufactured by a simpler method, and a heat spread effect can be obtained using the metal wiring pattern 13 having a desired thickness. it can. It is also possible to form only a part of the metal wiring pattern 13 with a different thickness from the other parts.

これまで本発明の一の実施の形態である、絶縁層１２に予め穿孔して複数の孔１４を形成した後に、粒状の金属材料２３を噴射、積層させる方法を説明したが、このような方法以外の方法を採用することもできる。例えば、図９に示すように、絶縁層１２上に形成される複数の孔１４の加工条件（第１工程）と、粒状の金属材料２３を噴射する加工条件（第２工程）を調整することにより、例えばヤグレーザやＣＯ２等のレーザ加工機３０などを用い、レーザ光照射による熱エネルギを用いて絶縁層１２を穿孔加工して孔１４を形成するのと並行して、すかさず粒状の金属材料２３を噴射して、連続して金属配線パターン１３を形成しても良い。 The method of spraying and laminating the granular metal material 23 after forming the plurality of holes 14 by previously drilling the insulating layer 12 according to one embodiment of the present invention has been described so far. Other methods can be employed. For example, as shown in FIG. 9, the processing conditions (first step) for the plurality of holes 14 formed on the insulating layer 12 and the processing conditions (second step) for injecting the granular metal material 23 are adjusted. Accordingly, for example, using a laser processing machine 30 such as a yag laser or CO 2, the insulating layer 12 is perforated using the thermal energy of laser light irradiation to form the hole 14, and at the same time, a granular metal material The metal wiring pattern 13 may be continuously formed by spraying 23.

このような方法では、レーザ光で穿孔する際の熱により絶縁層１２が余熱状態となり、直後に粒状の金属材料２３が噴射、積層されることになる。そのため、絶縁層１２と粒状の金属材料２３との間の接合力が高まるなどの効果を得ることができる。   In such a method, the insulating layer 12 is in a preheated state due to heat generated when drilling with laser light, and immediately after that, the granular metal material 23 is jetted and laminated. Therefore, effects such as an increase in bonding force between the insulating layer 12 and the granular metal material 23 can be obtained.

次に、上記実施の形態の変形例について、図１１を用いて説明する。   Next, a modification of the above embodiment will be described with reference to FIG.

図１１に示すように、ベース基板１１上に配置された絶縁層１２の表面には、粒状の金属材料２３で形成された金属配線パターン１３が形成されている。さらに金属配線パターン１３上には半導体素子などの電子部品を接合搭載するための金属接合層４０が配置されている。金属接合層４０は、粒状の金属材料２３よりも低融点な粒状の金属材料４１同士が互いに接合されて構成されている。低融点な粒状の金属材料４１としては、例えば金属配線パターン１３が銅の場合、錫を主体とした金属粒子や、これらにビスマスなどの金属粒子を混合または、合金化した金属材料が用いられる。また、図１１に示すように、噴射ノズル２０から、金属接合層４０となる粒状の金属材料４１を加熱・加圧したガスにより金属配線パターン１３上に噴射すると、低融点の粒状の金属材料４１は表層の一部が僅かに溶融しているため、予め形成した金属配線パターン１３上に金属接合により低融点の粒状の金属材料４１が付着、積層して、金属接合層４０が形成される（第３工程）。特に、金属配線パターン１３は、粒状の金属材料２３同士が接合して形成されているため、その表面は微小な凹凸面となっている。したがって、このような凹凸面に表層が溶融した粒状の金属材料４１を噴射することで、効果的に金属接合層４０を積層形成することができる。   As shown in FIG. 11, a metal wiring pattern 13 made of a granular metal material 23 is formed on the surface of the insulating layer 12 disposed on the base substrate 11. Furthermore, a metal bonding layer 40 for bonding and mounting electronic components such as semiconductor elements is disposed on the metal wiring pattern 13. The metal bonding layer 40 is configured by bonding granular metal materials 41 having a melting point lower than that of the granular metal material 23 to each other. As the low-melting-point granular metal material 41, for example, when the metal wiring pattern 13 is copper, metal particles mainly composed of tin, or metal materials in which metal particles such as bismuth are mixed or alloyed with these are used. As shown in FIG. 11, when a granular metal material 41 that becomes the metal bonding layer 40 is sprayed from the spray nozzle 20 onto the metal wiring pattern 13 with a heated and pressurized gas, the low-melting-point granular metal material 41. Since a part of the surface layer is slightly melted, a low-melting-point granular metal material 41 is deposited and laminated on the previously formed metal wiring pattern 13 by metal bonding to form the metal bonding layer 40 ( (3rd process). In particular, since the metal wiring pattern 13 is formed by joining the granular metal materials 23 to each other, the surface thereof is a minute uneven surface. Therefore, the metal joining layer 40 can be effectively laminated and formed by spraying the granular metal material 41 whose surface layer is melted onto such an uneven surface.

電子部品を搭載する金属接合層４０は、電子部品の種類や位置に応じて必要部分のみに形成することを要求されるが、このような方法によれば、噴射ノズル２０の位置制御と、粒状の金属材料４１の噴射タイミング、および、時間をオンデマンド制御することにより、所望する位置でかつ部分的に金属接合層４０を形成することができる。したがって、専用のマスクや位置決め治具を使用せずに任意の厚みの金属接合層４０を、簡単に製作することが可能である。   The metal bonding layer 40 on which the electronic component is mounted is required to be formed only in a necessary portion depending on the type and position of the electronic component. According to such a method, the position control of the injection nozzle 20 and the granularity are performed. By controlling the injection timing and time of the metal material 41 on demand, the metal bonding layer 40 can be partially formed at a desired position. Therefore, the metal bonding layer 40 having an arbitrary thickness can be easily manufactured without using a dedicated mask or positioning jig.

以上説明したように、本発明の配線基板の製造方法では、各種の絶縁材料上に直接金属配線パターンを形成する低温プロセスが採用されているため、配線基板製作時にプロセスに起因する配線基板の反りや歪の発生を少なくできる。そのため、品質確保が容易であり、さらに金属配線パターン形成と仕様変更を簡単に行うことができる。よって、所望の厚さを有する金属配線パターンの製作が容易となり、さらに部分的に任意の厚みに設定することも可能である。また、異なる材質の金属材料を層別に簡単に積層することができるため、金属配線パターン上に電子部品を搭載するための金属接合層などを簡単に形成することが可能である。   As described above, the method for manufacturing a wiring board according to the present invention employs a low-temperature process in which a metal wiring pattern is directly formed on various insulating materials. And distortion can be reduced. Therefore, quality can be ensured easily, and further, metal wiring pattern formation and specification change can be easily performed. Therefore, it is easy to manufacture a metal wiring pattern having a desired thickness, and it is also possible to partially set an arbitrary thickness. In addition, since different metal materials can be easily laminated by layer, it is possible to easily form a metal bonding layer or the like for mounting electronic components on the metal wiring pattern.

なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   It is to be noted that, by appropriately combining any of the above-described various embodiments, the effects possessed by them can be produced.

本発明によれば、大電力使用が可能な、放熱性に優れた金属配線パターンを形成したパワーエレクトロニクス機器に適した配線基板、および少ない工数（低価格）で製造が容易な配線基板の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the wiring board suitable for the power electronics apparatus which formed the metal wiring pattern excellent in heat dissipation which can use high electric power, and the manufacturing method of a wiring board with easy manufacture with few man-hours (low price) Can be provided.

１０ 配線基板
１１ ベース基板
１２ 絶縁層
１３ 金属配線基板
１４ 孔
１９ 放熱板
２０ 噴射ノズル
２１ ガス供給源
２３ 粒状の金属材料
２４ ホッパ
２５ ヒータ
３０ レーザ加工機
４０ 金属接合層
４１ 粒状の金属材料 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Wiring board 11 Base board 12 Insulating layer 13 Metal wiring board 14 Hole 19 Heat sink 20 Injection nozzle 21 Gas supply source 23 Granular metal material 24 Hopper 25 Heater 30 Laser processing machine 40 Metal bonding layer 41 Granular metal material

Claims (14)

ベース基板と、
ベース基板上に配置され、表面に開口する複数の孔が形成された絶縁層と、
絶縁層の表面に配置された金属配線パターンとを備え、
金属配線パターンは粒状の金属材料同士が接合されて形成され、絶縁層の表面に開口する複数の孔内に粒状の金属材料が配置されている、配線基板。 A base substrate;
An insulating layer disposed on the base substrate and having a plurality of holes formed on the surface;
A metal wiring pattern disposed on the surface of the insulating layer,
The metal wiring pattern is formed by bonding granular metal materials to each other, and the granular metal material is disposed in a plurality of holes opened on the surface of the insulating layer. 絶縁層を貫通しないように複数の孔が形成されるとともに、隣接する孔同士が互いに独立して形成されている、請求項１に記載の配線基板。   The wiring board according to claim 1, wherein a plurality of holes are formed so as not to penetrate the insulating layer, and adjacent holes are formed independently of each other. 絶縁層表面の垂線に対して同じ方向に傾斜するように複数の孔が形成されている、請求項１または２に記載の配線基板。   The wiring board according to claim 1, wherein a plurality of holes are formed so as to incline in the same direction with respect to a perpendicular to the surface of the insulating layer. 絶縁層表面の垂線方向に複数の孔が形成されている、請求項１または２に記載の配線基板。   The wiring board according to claim 1, wherein a plurality of holes are formed in a direction perpendicular to the surface of the insulating layer. 金属配線パターンの表面に配置された金属接合層をさらに備え、
金属接合層は、金属配線パターンを形成する粒状の金属材料よりも低い融点を有する粒状の金属材料同士が接合されて形成されている、請求項１から４のいずれか１つに記載の配線基板。 Further comprising a metal bonding layer disposed on the surface of the metal wiring pattern,
The wiring board according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal bonding layer is formed by bonding granular metal materials having a melting point lower than that of the granular metal material forming the metal wiring pattern. . ベース基板の絶縁層が配置されている面と反対側の面に、金属配線パターンより絶縁層およびベース基板を通じて伝熱される熱を放熱する放熱板が配置されている、請求項１から５のいずれか１つに記載の配線基板。   6. A heat radiating plate for dissipating heat transferred from the metal wiring pattern through the insulating layer and the base substrate to the surface opposite to the surface on which the insulating layer of the base substrate is disposed. The wiring board as described in any one. ベース基板上に配置された絶縁層の表面に開口する複数の孔を形成する第１工程と、
加熱および加圧したガスにより粒状の金属材料を噴射して、絶縁層の複数の孔内に粒状の金属材料を配置するとともに、複数の孔の開口を覆うように粒状の金属材料を配置して、絶縁層の表面に金属配線パターンを形成する第２工程と、を含む、配線基板の製造方法。 A first step of forming a plurality of holes opening in the surface of the insulating layer disposed on the base substrate;
The granular metal material is sprayed with heated and pressurized gas to arrange the granular metal material in the plurality of holes of the insulating layer, and the granular metal material is arranged to cover the openings of the plurality of holes. And a second step of forming a metal wiring pattern on the surface of the insulating layer. 第２工程において、絶縁層表面の垂線に対して傾斜した方向より粒状の金属材料を噴射する、請求項７に記載の配線基板の製造方法。   The method for manufacturing a wiring board according to claim 7, wherein in the second step, the granular metal material is sprayed from a direction inclined with respect to the normal to the surface of the insulating layer. 第１工程において、レーザ照射により絶縁層を貫通しないように複数の孔が形成されるとともに、隣接する孔同士が互いに独立して形成される、請求項７または８に記載の配線基板の製造方法。   The method for manufacturing a wiring board according to claim 7 or 8, wherein in the first step, a plurality of holes are formed so as not to penetrate the insulating layer by laser irradiation, and adjacent holes are formed independently of each other. . 第１工程において、絶縁層表面の垂線に対して同じ方向に傾斜するように複数の孔が形成され、
第２工程において、粒状の金属材料の噴射方向が複数の孔の傾斜方向と同じ方向である、請求項８に記載の配線基板の製造方法。 In the first step, a plurality of holes are formed so as to incline in the same direction with respect to the normal to the surface of the insulating layer,
The method for manufacturing a wiring board according to claim 8, wherein in the second step, the injection direction of the granular metal material is the same direction as the inclination direction of the plurality of holes. 第１工程において、絶縁層表面の垂線方向に複数の孔が形成される、請求項７から９のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法。   The method for manufacturing a wiring board according to claim 7, wherein in the first step, a plurality of holes are formed in a direction perpendicular to the surface of the insulating layer. 第２工程において、粒状の金属材料同士が接合されて絶縁層の表面に形成された金属層の表面に、加熱および加圧したガスにより粒状の金属材料をさらに噴射することにより、金属層を積層して、所望の厚みを有する金属配線パターンを形成する、請求項７から１１のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法。   In the second step, the metal layer is laminated by further injecting the granular metal material with heated and pressurized gas onto the surface of the metal layer formed by joining the granular metal materials to the surface of the insulating layer. And the manufacturing method of the wiring board as described in any one of Claim 7 to 11 which forms the metal wiring pattern which has desired thickness. 第２工程の後、金属配線パターンを形成する粒状の金属材料よりも低い融点を有する粒状の金属材料を、加熱および加圧したガスにより噴射して、金属配線パターンの表面に金属接合層を形成する第３工程を、さらに含む、請求項７から１２のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法。   After the second step, a granular metal material having a lower melting point than the granular metal material forming the metal wiring pattern is sprayed with heated and pressurized gas to form a metal bonding layer on the surface of the metal wiring pattern The method for manufacturing a wiring board according to claim 7, further comprising a third step of performing the step. ベース基板上に絶縁材料を噴射して積層させることにより絶縁層が形成される、請求項７から１３のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法。   The method for manufacturing a wiring board according to claim 7, wherein the insulating layer is formed by spraying and laminating an insulating material on the base substrate.
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