JP3879291B2 - パワー半導体デバイス用金属絶縁基板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機を制御するインバータ装置などのパワー半導体デバイスに適用する金属絶縁基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
頭記したパワー半導体デバイスは、回路基板に形成した導体パターンにパワー半導体素子，その他の電子部品（図示せず）を実装した構成になり、その回路基板の種類の一つに金属絶縁基板がある。この金属絶縁基板は、図３に示すように金属ベース（銅板）１の上に熱伝導率を高めたフィラーエポシキ樹脂（エポシキ樹脂にアルミナなどの粉末を混在させたもの）などの絶縁層２を積層し、その上に回路導体３をパターン形成した構成であり、従来の金属絶縁基板では、回路導体３がフォトプロセスによる無電解銅メッキ，あるいは銅箔エッチング法などにより形成される。
【０００３】
この場合に、通電電流が大きいパワー半導体デバイスでは、通電抵抗を低く押さえるために回路導体の導体断面積を大きくとる必要があるが、限られた回路基板の面積で回路をパターン形成するにはその導体幅がむやみに大きくとることができないことから、従来の金属絶縁基板では、基板を覆う銅箔にあらかじめ板厚の厚い銅箔を用いて回路導体をエッチングする、あるいは１００〜１４０μｍ程度の薄い銅箔にエッチングを施して形成した導体パターンの上に別な銅板をはんだ付けし、デバイスの通電容量に対応した３００〜１０００μｍ程度の厚さをもつパワー回路導体を形成するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のように絶縁層の上に板厚の厚い回路導体をパターン形成した従来の金属絶縁基板（図３参照）では、基板に実装したパワー半導体素子，および回路導体自身の放熱性が低下するようになるといった問題が派生する。
【０００５】
すなわち、通電に伴うパワー半導体素子の発生熱は、その大半が該素子をマウントした回路導体３に伝熱し、さらに絶縁層２，金属ベース１を伝熱してヒートシンク（図示せず）に放熱する。また、回路導体３の発生熱は絶縁層２を介して金属ベース１に伝熱する。この場合に、板厚の厚い回路導体３はその下面が比較的伝熱性の高いフィラーエポシキ樹脂などの絶縁層２に接しているが、回路導体の左右側面は絶縁層２に接してなく露呈したままで放熱面として有効に機能してない。なお、パワーデバイスでは、回路基板に半導体素子などを実装した後、パッケージ内にシリコーンゲル，エポシキ樹脂などを充填して電子部品を樹脂封止するようにしているが、前記封止樹脂の熱伝導率は低く熱放散には殆ど寄与しない。
【０００６】
なお、前記封止樹脂にフィラー樹脂などの高熱伝導率の材料を用いて半導体素子の放熱性を高めることも考えられるが、封止樹脂に熱伝導率の高い材料を採用するとコスト高となる。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、板厚が厚い回路導体を採用した場合でも高い放熱性を確保できるように改良したパワー半導体デバイス用の金属絶縁基板の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、金属ベースに絶縁層，およびパワー回路導体を積層したパワー半導体デバイス用の金属絶縁基板において、 前記パワー回路導体を、その上面を露呈して絶縁層に埋め込み積層するものとする。
【０００９】
上記の構成によれば、板厚の厚いパワー回路導体の側面が熱伝導率の高い絶縁層（フィラーエポシキ樹脂など）に接触していることから、この側面部分も伝熱面として有効に寄与し、下面のみが絶縁層に接している従来構造と比べて回路導体／絶縁層間の伝熱性が高まって金属絶縁基板の放熱性が向上する。
また、前記構成においては、絶縁層を上下二層に分け、その上層の絶縁層にパワー回路導体を埋め込み積層する構成とする。
【００１０】
かかる構成で、下層の絶縁層を硬化させた後に、その上に積層した上層の絶縁層にパワー回路導体を埋め込み積層することにより、絶縁層に埋め込んだ回路導体が金属ベースに直接接触するおそれがなく、かつ下層の絶縁層で所定の絶縁耐力が確保できる。
【００１１】
ここで、絶縁層の上層と下層を同種の絶縁材料で形成することにより、上層の絶縁層と下層の絶縁層との間の接着性が良く、かつ熱膨張差もなくて剥離し難い絶縁層が得られる。また、絶縁層の上層と下層を異種の絶縁材料で形成すれば、下層，上層の絶縁層の材料をそれぞれ金属ベース，半導体素子，封止樹脂との接着性、並びに絶縁層の誘電率，誘電正接などのを考慮して材料の選択，組合せが可能となる。
【００１２】
また、板厚の厚いパワー回路導体は、銅板などの金属板をプレス打ち抜き，もしくはワイヤカットしてパターン形成したものを採用することにより、無電解メッキ，あるいはエッチング法などに比べて回路導体を短時間で簡単に製作できる。
【００１３】
一方、前記構成の金属絶縁基板は、本発明により次記方法により製造するものとする。すなわち、絶縁層を上下二層に分けた本発明の構成では、まず、金属ベースの表面全域に下層の絶縁層を積層し、前記の下層絶縁層が硬化した状態でその上面全域に上層の絶縁層を非硬化状態で積層した上で、該上層絶縁層にパワー回路導体を重ねた状態で加圧により回路導体を上層の絶縁層に埋め込んで上層の絶縁層を硬化させて上層の絶縁層と下層の絶縁層とを一体接合する。
【００１４】
かかる製造方法を採用することにより、手間の掛かるインサート成形法などに頼らずに、一層，ないし二層からなる絶縁層にパワー回路導体を埋め込み積層した本発明の金属絶縁基板を高品質，かつ能率よく製造できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図１，図２，および図４，図５に示す実施例ならびに参考例に基づいて説明する。なお、各実施例ならびに参考例の図中で図３に対応する同一部材には同じ符号を付してしその説明は省略する。
【００１６】
〔実施例１〕
図１は本発明の参考例の構成図であり、金属ベース１，絶縁層２，パワー回路導体３の積層体からなる金属絶縁基板において、パワー回路導体３はその上面が露呈し、下面および左右側面が絶縁層２の層内に埋没するように埋め込み積層されている。ここで、絶縁層２はアルミナなどの粉をエポシキ樹脂に混入して熱伝導率を高めたフィラーエポシキ樹脂などが好適である。また、パワー回路導体３は、例えば厚さ３００μｍの銅板をプレス打ち抜き，あるいはワイヤカット法により所定のパターンに形成したものである。
【００１７】
上記構成によれば、パワー回路導体３はその下面のみならず、左右側面も熱伝導率の高い樹脂層２と伝熱的に接触することになるので、図３に示した従来構造と比べて回路導体／絶縁層間の伝熱面積が増して回路導体３に搭載したパワー半導体素子，回路導体自身の発熱に対する放熱性が向上する。なお、前記構成で絶縁層２の厚さＡは回路導体３の厚さＢよりも大きく設定し、回路導体３の下面と金属ベース１との間に所定の絶縁耐力に対応した絶縁層厚さＣを確保するようにしている。
【００１８】
次に、図１の構成になる金属絶縁基板の製造方法を図４(a) 〜(c) で説明する。先ず、図４(a) の工程で金属ベース１の上面全域に粘着性が無くなるＢステージまで硬化させたプリプレグ状態の絶縁層（シート状の樹脂）２を被着して仮固定する。次に、図４(b) の工程で金属ベース１に仮固定した絶縁層２の上にパワー回路導体３を位置決めして重ね合わせ、図４(c) の工程で真空加圧プレス４により上下から加圧力Ｆを加えて回路導体３をプリプレグ状態にある絶縁層２の層内に押し込んで埋め込み積層するとともに、この状態で熱を加えて絶縁層２の樹脂を硬化させる。なお、この加圧，硬化工程で真空加圧プレス４を用いることで、絶縁耐力低下の原因となるボイドの発生なしに絶縁層２の樹脂を硬化させることができる。
【００１９】
〔実施例〕
図２は本発明の実施例の構成図であり、この実施例においては絶縁層２が上下２層に分けて形成されており、上層の絶縁層２ａにはパワー回路導体３が埋め込み積層され、該絶縁層２ａが金属ベース１の上に積層して硬化した下層の絶縁層２ｂの上に重ね合わせて積層されている。なお、下層の絶縁層２ｂはそれ自身で所定の絶縁耐力を確保する層厚さＤに設定しておくものとする。
【００２０】
ここで、上層の絶縁層２ａ，下層の絶縁層２ｂは共に熱伝導率の高いフィラー樹脂であって、絶縁層２ａと２ｂは同じ材料とするか、あるいは別な種類の材料を採用して実施することができる。この場合に、絶縁層２ａと２ｂに同一材料を用いれば、絶縁層の間で高い接着性が得られるほか、熱膨張率差に起因する接着面の剥離などの問題もない。一方、絶縁層２ａと２ｂを同一材料に限定しなければ、金属ベース１，半導体素子との接着性の相性，および誘電率，誘電正接などの電気的な特性を考慮してパワーデバイスに適した絶縁材料を自由に選択することができる。
【００２１】
図２の構成になる本発明の金属絶縁基板の製造方法を図５(a) 〜(d) で説明する。先ず、図５(a) の工程で金属ベース１の上面全域にＢステージまで硬化させたプリプレグ状態にある下層の絶縁層（シート状の樹脂）２ｂを被着し、真空加圧プレスなどで絶縁層２ｂを硬化させる。あるいは、あらかじめ硬化させたシート状の絶縁層２ｂを接着剤で金属ベース１に接合することも可能である。次に、図５(b) の工程で硬化済の状態にある絶縁層２ｂの上面全域にＢステージまで硬化させたプリプレグ状態にある上層の絶縁層２ａを被着して仮固定した後、図５(c) の工程で絶縁層２ａの上にパワー回路導体３を位置決めして重ね合わせ、図５(d) の工程で真空加圧プレス４により上下から加圧力Ｆを加えて回路導体３をプリプレグ状態にある絶縁層２ａの層内に押し込んで埋め込み積層するとともに、この状態で熱を加えて絶縁層２ａの樹脂を硬化させ、上層の絶縁層２ａと下層の絶縁層２ｂとを一体接合する。
【００２２】
この実施例によれば、パワー回路導体３を上層の絶縁層２ａに埋め込む工程では、下層の絶縁層２ｂが既に硬化状態にあるので、プレス打ち抜き加工などで回路導体３の切断面にばり，返しなどが生じていても、これが埋め込み積層状態で金属ベース１に直接接触するおそれはなく、かつ下層の絶縁層２ｂの層厚Ｄで所定の絶縁耐力を確保できる。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、金属ベースの上に絶縁層，およびパワー回路導体を積層した金属絶縁基板において、前記パワー回路導体をその上面を露呈して絶縁層に埋め込み積層したことにより、従来構造と比べて回路導体／絶縁層間の伝熱面積が増加し、パワー半導体デバイス用として熱放散性の優れた金属絶縁基板を提供することができる。
【００２４】
また、前記絶縁層を上下２層に分け、その上層の絶縁層にパワー回路導体を埋め込み積層したので、金属絶縁基板として安定した絶縁耐力の確保が得られるほか、上下各層の絶縁層を金属ベース，回路部品との接着性，および誘電率，誘電正接など電気的を特性を考慮して適正な材料の選択，組合せが行える。
【００２５】
さらに、本発明の製造方法によれば、絶縁層へのパワー回路導体の埋め込み接合，並びに絶縁層の硬化工程を手間の掛かるインサート成形法などに頼らずに、高品質，かつ能率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例に対応する金属絶縁基板の構成断面図
【図２】 本発明の実施例に対応する金属絶縁基板の構成断面図
【図３】 金属絶縁基板の従来例の構成断面図
【図４】 図１に示した金属絶縁基板の製造方法の説明図であり、(a) 〜(c) はその組立状態を工程順に表した図
【図５】 図２に示した金属絶縁基板の製造方法の説明図であり、(a) 〜(d) はその組立状態を工程順に表した図
【符号の説明】
１ 金属ベース
２ 絶縁層
２ａ 上層の絶縁層
２ｂ 下層の絶縁層
３ パワー回路導体
４ 真空加圧プレス

Claims (4)

1. 金属ベースの上に絶縁層，およびパワー回路導体を積層したパワー半導体デバイス用の金属絶縁基板において、前記パワー回路導体を、その上面を露呈して絶縁層に埋め込み積層し、絶縁層を上下二層に分け、その上層の絶縁層にパワー回路導体を埋め込み積層したパワー半導体デバイス用金属絶縁基板の製造方法であって、
   金属ベースの表面全域に下層の絶縁層を積層する工程と、前記絶縁層が硬化した状態でその上面全域に上層の絶縁層を非硬化状態で積層する工程と、上層絶縁層にパワー回路導体を重ねた状態で加圧により回路導体を上層の絶縁層に埋め込む工程と、上層の絶縁層を硬化させ上層の絶縁層と下層の絶縁層とを一体接合する工程からなることを特徴とするパワー半導体デバイス用金属絶縁基板の製造方法。
2. 請求項１記載の金属絶縁基板の製造方法において、絶縁層の上層と下層を同種の絶縁材料で形成したことを特徴とするパワー半導体デバイス用金属絶縁基板の製造方法。
3. 請求項１記載の金属絶縁基板の製造方法において、絶縁層の上層と下層を異種の絶縁材料で形成したことを特徴とするパワー半導体デバイス用金属絶縁基板の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の金属絶縁基板の製造方法において、パワー回路導体が、金属板をプレス打ち抜き，もしくはワイヤカットしてパターン形成したものであることを特徴とするパワー半導体デバイス用金属絶縁基板の製造方法。

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