JP2013131662A - パワーモジュール用絶縁放熱基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路層や熱拡散層等として使用される金属層と高熱伝導絶縁粒子との間の接触熱抵抗の増大を抑制できるパワーモジュール用絶縁放熱基板を提供する。
【解決手段】一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に設置される冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板Ｐであって、少なくとも、半導体チップの搭載エリアに対応する部位に高熱伝導絶縁粒子４を有する絶縁樹脂基板１と、絶縁樹脂基板の表裏面に積層された薄膜導体層７と、薄膜導体層を介して積層された厚導体層８とを有し、且つ、半導体チップの搭載エリアに位置する、絶縁樹脂基板の表面と、絶縁樹脂基板の表面から露出した高熱伝導絶縁粒子の表面とが面一に形成されているとともに、半導体チップの、非搭載エリアに位置する絶縁樹脂基板の厚さが、搭載エリアに位置する絶縁樹脂基板の厚さよりも薄く形成されていることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子からの発熱量が非常に大きいパワーモジュール用絶縁放熱基板に関し、特に、放熱性の向上及び薄型化を図ったパワーモジュール用絶縁放熱基板に関するものである。

高電圧・大電流での動作が可能なＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体チップを搭載してなるパワーモジュールは、当該半導体チップからの発熱量が非常に大きいため、従来より、冷却器（例えば、水冷式の冷却器）を取り付けて、素早く放熱できるような対策が採られてきた。
このようなパワーモジュールの一例（例えば、特許文献１参照）を、図１０に示した概略断面図を用いて説明する。

当該パワーモジュールＰＭは、セラミックスからなる絶縁基板１６の一方の面に回路層１１ａ、他方の面に熱拡散層１２ａを備えた絶縁放熱基板Ｐａと、当該回路層１１ａ上にはんだ１４を介して搭載された半導体チップ１５と、当該熱拡散層１２ａの下面にはんだ１４を介して接合された放熱体１８と、当該放熱体１８の下面に取付ねじ１９によって取り付けられた冷却器２０とを有する構成となっており、半導体チップ１５からの発熱を、絶縁放熱基板Ｐａ、放熱体１８を伝って冷却器２０に伝達し、最終的に当該冷却器２０内の冷却水２１によって外部に放散するという仕組みになっている。

因みに、各部材の具体例は以下の通りである。
即ち、『絶縁基板１６』はＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ等、『回路層１１ａ、熱拡散層１２ａ、放熱体１８』はＣｕ、Ａｌ等、『低熱膨張材１７』はインバー合金等である。

このようなパワーモジュールＰＭは、近年、特に注目を集めている電気自動車やハイブリッド自動車に使用されるようになり、更なる高出力化と小型化が求められている。

そこで、前記要求に応えるための最も簡単な手段としては、単純にセラミックスからなる絶縁基板１６の厚さを薄くすることが考えられる。なぜなら、絶縁基板１６を薄型化すれば、パワーモジュールＰＭ全体を小型化できるとともに、薄くした分、伝熱抵抗の低抵抗化を図れるからである。即ち、金属からなる回路層１１ａや熱拡散層１２ａよりも伝熱抵抗が高い絶縁基板（セラミックス基板）１６が薄くなるため、半導体チップ１５からの発熱を素早く冷却器２０側に伝えることができる。

しかし、セラミックスは薄くすると非常に割れやすくなるため、薄型化するにも限界があり（例えば、ＩＧＢＴを搭載する１ｃｍ□以上の基板としてＡｌＮ基板を採用した場合、最低でも０．６〜０．７ｍｍ程度の厚さが必要である）、その結果、絶縁基板１６として、熱伝導率の高いＡｌＮ（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ）を使用したとしても、期待される程の放熱効果は得られないというものであった。

従って、板厚を薄くしても割れにくい絶縁樹脂基板を絶縁基板として用い、当該絶縁樹脂基板の表裏に形成される回路層と熱拡散層との間を、「高熱伝導性」「絶縁性」「硬質性」に優れるセラミックス等からなる粒子（以後これを「高熱伝導絶縁粒子」と呼ぶことにする）で熱的に接続させるというのが、パワーモジュールの薄型化と伝熱抵抗の低抵抗化を図る手段として有効であると考えられ、既にこのような構成のものが特許文献２に開示されている（図１１参照）。

図１１は、パワーモジュールに用いられる絶縁放熱基板Ｐｂ（図１０に示した「絶縁放熱基板Ｐａ」に相当）の要部拡大断面図を示したものであり、その構成は、エポキシやポリイミドなどの熱硬化性樹脂からなる絶縁樹脂基板１ｃと、当該絶縁樹脂基板１ｃの表裏にそれぞれ積層された回路層１１ｂ、熱拡散層１２ｂ（「回路層１１ｂ」「熱拡散層１２ｂ」は、特許文献１と同様にＣｕやＡｌ等からなる）と、当該絶縁樹脂基板１ｃよりも厚く、且つ、当該回路層１１ｂ、熱拡散層１２ｂよりも硬い高熱伝導絶縁粒子４[ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＢＮ等の熱伝導率がＡｌ₂Ｏ₃よりも高い５０Ｗ／ｍＫ以上の粒子（好ましく１５０Ｗ／ｍＫ以上の粒子）]とを有するものである。そして、絶縁樹脂基板１ｃの表面Ａ１及び裏面Ｂ１から突出する高熱伝導絶縁粒子４の突出部４ｄをそれぞれ回路層１１ｂ、熱拡散層１２ｂに貫入させ、両者の接触熱抵抗を小さくする構造とすることによって（即ち、貫入させることにより、単に両者を接触させる構造よりも接触熱抵抗を小さくできる）、絶縁樹脂基板１ｃの熱伝導率の低さ（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃などの高熱伝導フィラー入りのエポキシ樹脂の場合でも、熱伝導率は３Ｗ／ｍＫ程度である）を補い、以て、期待される放熱効果を得ようとするものである。

しかし、図１１の構成においては、絶縁層全体（高熱伝導絶縁粒子４を含む絶縁樹脂基板１ｃに相当）の熱伝導率は高いものの、回路層１１ｂ及び熱拡散層１２ｂと、当該高熱伝導絶縁粒子４との間に無視できないほどの大きな接触熱抵抗が存在するため、図１０に示した絶縁放熱基板Ｐａと同様に、期待される程の放熱効果は得られないというのが実情であった。

その理由は、回路層１１ｂ及び熱拡散層１２ｂと、高熱伝導絶縁粒子４との接続構造に原因があった。
この原因について、回路層１１ｂと高熱伝導絶縁粒子４との接触界面を示した図１２を用いて説明する（熱拡散層１２ｂについても同様の接続構造となるため、説明の便宜上、熱拡散層１２ｂと高熱伝導絶縁粒子４との接続構造については説明を省略した）。

回路層１１ｂと高熱伝導絶縁粒子４との貫入接続は、図１２（ａ）に示したように、高熱伝導絶縁粒子４に対して、後に回路層１１ｂとなる金属箔１１ｂａ（図に示した部分は、金属箔１１ｂａのマット面、即ち、アンカーパターン１１ｂｂを示したものである）を矢印の方向にプレス加工することによって行われるのであるが、当該金属箔１１ｂａ（回路層１１ｂ）と高熱伝導絶縁粒子４との接続構造は、図１２（ｂ）に示したように、表面状態が単なる凹凸形状２３（大判の高熱伝導材を粒子状に粉砕したときの凹凸形状）のままの高熱伝導絶縁粒子４を、金属箔１１ｂａ（回路層１１ｂ）に貫入させるだけの構造であったため、両者間の接続強度は殆どないに等しいものであった。このような接続状態で、絶縁樹脂基板１ｃが半導体チップからの発熱により膨張する、即ち、回路層１１ｂと高熱伝導絶縁粒子４との接触界面２２（図１２（ｂ）参照）を押し広げてしまうため、回路層１１ｂと高熱伝導絶縁粒子４との接触界面２２に図１２（ｃ）に示したような剥離部２５を発生させ、両者間の接触熱抵抗の増大を引き起こしていたのである。尚、図１２（ｃ）においては、剥離現象を分かりやすくするために、実際のものよりも誇張した状態を示した。また、符号２４は、金属箔１１ｂａと高熱伝導絶縁粒子４との間にできた金属非充填部である。

因みに、特許文献２には、回路層１１ｂ及び熱拡散層１２ｂと、高熱伝導絶縁粒子４との接続性を向上させるために、当該高熱伝導絶縁粒子４の表面に、ＣｕめっきやＮｉめっきを施すという手段が示されているが、金属同士を熱圧着してもそれほど高い接続強度は得られず、そもそも絶縁樹脂よりもめっきの密着性が低いセラミックス等からなる高熱伝導絶縁粒子４の表面状態が、上記でも説明したように、単なる凹凸形状２３のままであるため、当該高熱伝導絶縁粒子４とめっきとの接触状態は極めて不安定なものとなり、結局、回路層１１ｂ及び熱拡散層１２ｂと、高熱伝導絶縁粒子４との接続強度を満足のいく強度とするには至らなかった。

特開２００４−１５３０７５号公報 特開２００５−２３６２６６号公報

本発明は、パワーモジュール用絶縁放熱基板の絶縁基板として絶縁樹脂基板を用いた場合においても、金属層（回路層や熱拡散層等として使用される金属層）と高熱伝導絶縁粒子との間の接触熱抵抗の増大を抑制できるパワーモジュール用絶縁放熱基板を提供することを課題とする。

本発明は、一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に設置される冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板であって、少なくとも、半導体チップの搭載エリアに対応する部位に高熱伝導絶縁粒子を有する絶縁樹脂基板と、当該絶縁樹脂基板の表裏面に積層された薄膜導体層と、当該薄膜導体層を介して積層された厚導体層とを有し、且つ、当該半導体チップの搭載エリアに位置する絶縁樹脂基板の表面と、当該半導体チップの搭載エリアに位置する絶縁樹脂基板の表面から露出した高熱伝導絶縁粒子の表面とが面一に形成されているとともに、当該半導体チップの非搭載エリアに位置する当該絶縁樹脂基板の厚さが、当該半導体チップの搭載エリアに位置する当該絶縁樹脂基板の厚さよりも薄く形成されていることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板により上記課題を解決したものである。

また本発明は、一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に設置される冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法であって、少なくとも、半硬化状態の絶縁接着剤層における当該半導体チップの搭載エリアに対応する部位に抜き部を設ける第一の工程と、当該抜き部を備えた絶縁接着剤層の一方の面に第一の金属箔を配置する第二の工程と、当該絶縁接着剤層に設けられた抜き部内に、当該絶縁接着剤層よりも厚みのある高熱伝導絶縁粒子を充填する第三の工程と、当該絶縁接着剤層の他方の面に第二の金属箔を配置する第四の工程と、当該絶縁接着剤層に設けられた抜き部に対応する部分に開口部を備えたスペーサー治具を当該第一の金属箔及び第二の金属箔の上に配置した後、加熱・加圧処理を行う第五の工程と、当該加熱・加圧処理により盛り上がった突出部を、当該スペーサー治具の開口部から外れた部分に位置する金属箔の露出側表面と面一となるように研磨する第六の工程と、当該突出部が研磨された中間積層体の表裏面に薄膜導体層と厚導体層とを順次積層する第七の工程とを有することを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法により上記課題を解決したものである。

本発明によれば、半導体チップからの発熱が絶縁放熱基板に流入した場合においても、高熱伝導絶縁粒子と導体層との間の接触熱抵抗を常温時とほぼ同じ状態に維持することができ、以て、半導体チップから発せられた熱を素早く冷却器側へ逃がすことができる。

本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板の構成を説明するための概略断面図。 本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための概略断面製造工程図。 本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板に用いられる高熱伝導絶縁粒子の表面状態を説明するための概略断面図。 図２（ｇ）の工程で形成される薄膜導体層と絶縁樹脂基板に充填された高熱伝導絶縁粒子との接続状態を説明するための概略断面図。 本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板の他の製造工程を説明するための概略断面図。 本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板の更に別の製造工程を説明するための概略断面図。 本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板の他の構成のものを得るための概略断面製造工程図。 図１のパワーモジュール用絶縁放熱基板の回路層と熱拡散層をサブトラクティブ法で形成した場合の要部拡大断面図。 図１のパワーモジュール用絶縁放熱基板の回路層と熱拡散層をセミアディティブ法で形成した場合の要部拡大断面図。 従来のパワーモジュールの構成を説明するための概略断面図。 従来のパワーモジュールに用いられる絶縁放熱基板の問題点を解決する従来のパワーモジュール用絶縁放熱基板の構成を説明するための概略断面図。 図１１のパワーモジュール用絶縁放熱基板の問題点を説明するための要部拡大断面図。 絶縁接着剤層の厚さの２倍程度の厚さを有する高熱伝導絶縁粒子を充填する場合に開口部を有しない金属箔を配置し、尚且つスペーサー治具を用いないで積層した際に発生する問題点を説明するための概略断面図。

本発明の第一の実施の形態を図１を用いて説明する。尚、従来技術と同じ部位には同じ符号を付すようにした。

図１は、本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板（以降これを単に「絶縁放熱基板」と表記する）Ｐの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐは、半導体チップの搭載エリア（即ち、図１中、「高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９」に相当。以下、「半導体チップの搭載エリア」を説明の便宜上、「高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９」として説明する。）に対応する部位に高熱伝導絶縁粒子４を有するとともに、半導体チップの非搭載エリア（即ち、図１中、「高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０」に相当。以下、「半導体チップの非搭載エリア」を説明の便宜上、「高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０」として説明する。）に対応する表裏面に金属箔３を有する絶縁樹脂基板１と、当該絶縁樹脂基板１の表裏面に順次積層された薄膜導体層７及び厚導体層８とからなる回路層１１及び熱拡散層１２とを有し、且つ、当該絶縁樹脂基板１の表面１ｄと、当該絶縁樹脂基板１の表面１ｄから露出した金属箔３の表面３ｃと、当該絶縁樹脂基板１の表面１ｄから露出した高熱伝導絶縁粒子４の表面４ｅとが面一に形成されている（図２（ｆ）参照）とともに、当該高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０に位置する金属層３，３間における絶縁樹脂基板１の厚さＴ２が、当該高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９に位置する薄膜導体層７，７間における絶縁樹脂基板１の厚さＴ１よりも薄く形成されて構成されている。

続いて、図１に示した絶縁放熱基板Ｐの製造方法を図２を用いて説明する。

まず、図２（ａ）に示したように、ガラス繊維などの補強基材２にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させた半硬化状態の絶縁接着剤層１ａ（例えば「プリプレグ」）を用意し、次いで、打抜き加工やルーター加工等により高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９（図１参照）に対応する部位（即ち、半導体チップ搭載エリアに対応する部位）に抜き部２ａを形成する（図２（ｂ）参照）。

ここで、絶縁接着剤層１ａとして、補強基材２入りのものを用いて説明したが、パワーモジュールが大型でなく、反りの懸念が無い場合には、補強基材２が入っていない絶縁接着剤層１ａを用いることも可能であり、例えば、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエチレン、液晶ポリマー、アクリル、ポリカーボネート、シリコーン等の樹脂をフィルム状にしたものを用いることもできる（中でも、耐熱性、応力緩和性に優れる液晶ポリマーを用いるのが好ましい）。
尚、図には示していないが、絶縁接着剤層１ａ中に、高熱伝導絶縁粒子４と同質材料で、且つ、当該高熱伝導絶縁粒子４よりも径が小さいフィラーを、絶縁樹脂基板１（当該絶縁接着剤層１ａが硬化された状態のもの）の応力緩和性に影響が出ない範囲で充填するのが、高熱伝導絶縁粒子４を含む絶縁樹脂基板１の全熱抵抗を下げる（即ち、熱伝導率を上げる）上で好ましい。

次に、図２（ｃ）に示したように、抜き部２ａが形成された絶縁接着剤層１ａの一方の側に金属箔３（例えば「銅箔」）を配置した後、当該抜き部２ａ内に高熱伝導絶縁粒子４を充填し、次いで、図２（ｄ）に示したように、絶縁接着剤層１ａの他方の側に金属箔３を配置した後、高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９に対応する部分に開口部５ａを備えたスペーサー治具５を介して加熱・加圧処理（以降これを「積層プレス」と表記する）を施すことによって、絶縁接着剤層１ａから流れ出した樹脂１ｂ（図中の矢印参照）で高熱伝導絶縁粒子４を埋め込むとともに当該樹脂１ｂを含む絶縁接着剤層１ａを硬化して絶縁樹脂基板１とする（図２（ｅ）参照）。
尚、上記図２（ｃ）〜図２（ｅ）の工程は、図５（ａ）、（ｂ）に示したように、積層される金属箔３として、高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９に対応する部位に開口部３ａを有するものを配置し、当該金属箔３上に離型性を有するクッション材１３とスペーサー治具５を介して積層プレスを行うようにしてもよい。因みに、この構成の場合には、後に行なわれる突出部を除去する研磨工程の際に、予め当該突出部に位置する金属箔が除去されているため、図２（ｃ）〜図２（ｅ）の工程で製造するよりも、研磨処理を容易に行うことができる。而して、この構成の場合、高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９に対応する部位には金属箔３が存在しない構成となるが（図５（ｂ）参照）、当該金属箔３を積層するそもそもの理由が、高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０に位置する絶縁樹脂基板１の厚さを薄くする、あるいは後に行なわれる研磨工程の切削停止ラインの指標とするために積層するものなので、当該高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０に形成されていれば、その機能的役割を十分に果たすことができる。

ここで、当該高熱伝導絶縁粒子４の材料としては、絶縁性と比較的高い熱伝導率を兼ね備えたセラミックス、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃（熱伝導率：２０Ｗ／ｍｋ）、ＳｉＣ、ＳｉＮ（熱伝導率：７０Ｗ／ｍｋ）、ＡｌＮ（熱伝導率：１７０Ｗ／ｍｋ）等が挙げられ、適宜必要とする放熱性能に応じて選択使用することができる。

また、当該高熱伝導絶縁粒子４のサイズとしては、当該高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０（図１参照）に位置する金属箔３の表面から突出した部分を、図２（ｅ）に示される研磨ライン６に沿って研磨した際に露出する程度の大きさであれば特に限定する必要はないが、積層プレスの際に樹脂のボイド（充填された高熱伝導絶縁粒子４間に発生する樹脂の未充填部）を発生させることなく、研磨後の高熱伝導絶縁粒子４の露出面積を稼げる（例えば、高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９に対して５０％以上の露出面積）という点で、当該絶縁接着剤層１ａの厚さの２倍程度の厚さのものを充填するのが好ましい。

次に、図２（ｅ）に示した研磨ライン６よりも外側に位置する突出部に対して研磨処理（例えば、バフ研磨等）を行うことによって、高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９（図１参照）に位置する絶縁樹脂基板１の表面１ｄと、当該絶縁樹脂基板１の表面１ｄから露出した高熱伝導絶縁粒子４の表面４ｅと、当該絶縁樹脂基板１の表面１ｄから露出した金属箔３の表面３ｃとを面一にし（図２（ｆ）に示した「中間積層体ＳＰ」参照）、次いで、デスミア処理で当該中間積層体ＳＰの表裏面をクリーニングした後、無電解めっき処理やスパッタリングなどにより析出した薄膜導体層７（例えば、厚さ０．５〜１．０μｍ程度の銅薄膜）を介して厚導体層８（例えば、厚さ１５０〜３００μｍ程度の電解銅めっき膜、或いは当該厚さの厚銅板を金属結合したものなど）を積層する（図２（ｇ）参照）。

ここで、上記説明においては、薄膜導体層７として「銅薄膜」を析出する例を示したが、当該銅薄膜よりも結晶粒径が小さい「ニッケル薄膜」を析出すれば、当該銅箔膜よりも緻密な膜を析出できるため、初期接触熱抵抗をより小さくすることができる（即ち、半導体チップから発せられた熱をより素早く冷却器側へ逃がすことができる。）。
尚、当該ニッケル薄膜を無電解めっき処理で析出させる場合、ニッケル−リンめっき、ニッケル−ホウ素めっき等、何れのニッケルめっきを析出させても構わないが、中でも熱伝導率が最も高いニッケル−ホウ素めっきを選択するのがより初期接触熱抵抗を小さくできる点で好ましい。

また、高熱伝導絶縁粒子４と薄膜導体層７との接続構造として、バフ研磨等の研磨面に無電解めっき等を析出させる構成を説明したが（もちろん、この状態においても両者間の接続強度はある程度確保されている）、当該薄膜導体層７を析出させる前に（即ち、デスミア処理を行なった後）、高熱伝導絶縁粒子４の露出面４ｅに、図３（ｃ）に示したような鉤状の凹部４ａを設けておくのが両者間の接続強度をより強固にする（即ち、両者間の接触熱抵抗の上昇を抑制する）上で好ましい。即ち、当該鉤状の凹部４ａに、薄膜導体層７が噛み合わせ状に食い込む形で接続されるため、半導体チップからの熱により、絶縁樹脂基板１が膨張した場合においても両者間の接続状態を強固に維持することができる（当該鉤状の凹部４ａに薄膜導体層７が食い込む状態を示した図４（ａ）、（ｂ）の要部拡大断面図参照）。
因みに、上記図２（ｃ）の工程の段階で、予め高熱伝導絶縁粒子４（図３（ａ）に示した未処理の「高熱伝導絶縁粒子４」参照）の表面に、図３（ｂ）に示したような鉤状の凹部４ａが形成されたものを充填すれば、絶縁樹脂基板１との密着性も併せて向上させることができる（図４（ａ）、（ｂ）参照）。
尚、当該「鉤状の凹部」４ａは、例えば高熱伝導絶縁粒子４の表面を水酸化ナトリウムや弗酸などで処理することによって形成され、その内部において開口部４ｂの開口エリアから外れた抉れ部４ｃを有している（図３（ｃ）参照）。

そして最後に、一般的なサブトラクティブ法により回路層１１及び熱拡散層１２を形成することによって、図１に示した絶縁放熱基板Ｐを得る。

本実施の形態における注目すべき点は、高熱伝導絶縁粒子４と回路層１１及び熱拡散層１２の接続構造として、無電解めっき膜やスパッタ膜などの薄膜導体層７を介して接続する構造とするとともに、高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０に位置する絶縁樹脂基板１の厚さＴ２を、高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９に位置する絶縁樹脂基板１の厚さＴ１よりも薄くした点にある。

これにより、高熱伝導絶縁粒子を回路層及び熱拡散層内に貫入させて接続する従来の接続構造と比較して、両者間の接触熱抵抗の上昇を抑制することができ、また、高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０に位置する絶縁樹脂基板１の厚さＴ２を、当該高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９に位置する絶縁樹脂基板１の厚さＴ１よりも薄くしたため、半導体チップから発せられた熱が絶縁放熱基板に流入した際に発生する絶縁樹脂基板の熱膨張量を抑制でき（即ち、高熱伝導絶縁粒子４と、回路層１１及び熱拡散層１２とを引き剥がす方向に働く応力を緩和できる）、以て、両者の接触熱抵抗の上昇をより抑制することができる。

更に、高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０に位置する絶縁樹脂基板１の表裏面に形成された金属箔３，３間の距離が短くなるため（即ち、回路層１１と熱拡散層１２間の距離が短くなる）、当該部分の絶縁樹脂基板１の厚さを高熱伝導絶縁粒子４の充填エリア９に位置する絶縁樹脂基板１と同じ厚さとした場合と比較して、放熱性の底上が可能となる（半導体チップから発生する熱は、半導体チップの搭載直下だけでなくその周辺にも及ぶため、更なる放熱効果が期待できる）。

また、積層プレス工程（図２（ｄ）〜（ｅ）の工程）の際に、高熱伝導絶縁粒子４の充填エリアに対応する部分に開口部５ａを備えたスペーサー治具５を介して積層するようにしたことも注目すべき点である。

即ち、上記でも説明したように、充填する高熱伝導絶縁粒子４のサイズとして、絶縁接着剤層１ａの厚さの２倍程度の厚さのものを充填する場合、図１３（ａ）に示したように、当該スペーサー治具５を介さずにクッション材１３のみを用いて積層すると、図１３（ｂ）に示したように、充填された高熱伝導絶縁粒子４の隙間に金属箔３が追従して絶縁接着剤層１ａから流出する樹脂が当該高熱伝導絶縁粒子４の周囲に回り込まなくなってしまい（即ち、流出する樹脂を金属箔３が堰き止めてしまう）、その結果、後に行なわれる研磨工程で除去できないほどの溝部２６が形成されたり当該高熱伝導絶縁粒子４間にボイド２７（ここで云う「ボイド」とは、樹脂の未充填部のことを云う）が発生したりするなどの不具合があったのだが、スペーサ治具５を介して積層することで、このような不具合を容易に解消できるのである。

尚、図１３に示した金属箔３として、図５に示したものと同様の開口部３ａを有するものを積層すれば、表面に凹凸が形成されるものの、絶縁接着剤層１ａから流出する樹脂１ｂを完全に堰き止めてしまうことがないため、スペーサー治具５を介さないで積層することも可能である（図６参照）。
この場合、通常の積層プレス工程には不要なスペーサー治具５を必要としないため、当該積層プレス工程を簡略化することができる。しかし、図１３（ｂ）に示したのと同様に、研磨では除去しきれないほどの溝部が完全に発生しないとはいいきれないため、やはり、スペーサー治具５を介して積層するのが品質的に好ましいといえる。

次に、本発明の第二の実施の形態を図７（ｄ）を用いて説明する。
図７（ｄ）に示した絶縁放熱基板ＰＰは、高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０に金属箔３が形成されていない以外は、図１に示した絶縁放熱基板Ｐと同じであり、また、その製造工程も、図２（ｆ）の絶縁樹脂基板１（図７（ａ）に相当）の表面に形成されている金属箔３をエッチング除去する工程が追加された以外は、図２に示した製造工程と同じである（図７（ａ）〜図７（ｄ）に示した概略断面製造工程図参照）。
従って、基本的な作用効果は第一の実施の形態と同じであるため、ここでは第一の実施の形態と比較した場合の特徴についてのみ説明する。

まず第一に、回路層１１及び熱拡散層１２をサブトラクティブ法で形成する場合に、予め高熱伝導絶縁粒子４の非充填エリア１０に形成されている金属箔３を除去するため、当該部分に位置する回路層１１及び熱拡散層１２の表面に、当該金属箔３を除去した分の凹み部３１が発生してしまうが（図７（ｃ）、（ｄ）参照）、エッチング処理後の回路層１１及び熱拡散層１２のエッチング界面に形成される抉れ部を小さくでき、以て、絶縁放熱基板ＰＰを第一の実施の形態の絶縁放熱基板Ｐよりも小型化できるというメリットがある。

即ち、第一の実施の形態の場合には、図８（ａ）に示したように、エッチングレジストパターン２８から露出している部分をエッチング除去する際に、内部に残存する金属箔３も併せてエッチング除去しなければならないため、その分、エッチング処理時間を長くしなければならない。そのため、図８（ｂ）に示したように、回路層１１と熱拡散層１２のエッチング界面に形成される抉れ部２９が大きくなってしまうことから、当該回路層１１と熱拡散層１２の必須面積を確保するために、絶縁放熱基板のサイズを金属箔３のエッチング量を考慮して、少し大き目のサイズに設定する必要があるのだが、第二の実施の形態ではこのような考慮を必要としないため、第一の実施の形態のものよりも小型化が図れるのである。

第二に、回路層１１及び熱拡散層１２をセミアディティブ法で形成できるため、絶縁放熱基板をより小型化することができる。

即ち、第一の実施の形態の絶縁放熱基板Ｐをセミアディティブ法で形成しようとした場合、図９（ａ）に示したように、回路層１１と熱拡散層１２の主要部である厚導体層８の形成においては、めっきレジストパターン３０の非形成部に電解めっき（例えば「電解銅めっき」）を析出させる構成となるため、所望とする寸法で形成することができる。
しかし、図９（ｂ）に示したように、めっきレジストパターン３０を剥離した後、厚導体層８から露出する薄膜導体層７（例えば厚さ０．５〜１．０μｍの銅薄膜）と金属箔３（例えば厚さ１２〜１８μｍの銅箔）とをエッチング除去した際に、上記サブトラクティブ法の場合で説明したのと同様に、回路層１１と熱拡散層１２のエッチング界面に形成される抉れ部２９ａが大きくなってしまい、加えて、金属箔３をエッチング除去する分、厚導体層８の表面も厚めに除去されて薄くなってしまうため（図９（ｃ）参照）、第一の実施の形態の絶縁放熱基板Ｐの構成においては、セミアディティブ法での製造方法が不可能であるのだが、第二の実施の形態の絶縁放熱基板ＰＰの構成においては、電解めっきのシード層たる薄膜導体層７だけを除去する通常のセミアディティブ法による製造方法が可能であるため、第一の実施の形態の絶縁放熱基板Ｐよりも小型化できるのである。

以上、第二の実施の形態の特徴について説明したが、第一の実施の形態においては、図４に示したように、アンカーパターン３ｂを有する金属箔３を介して薄膜導体層７が形成されるため、絶縁樹脂基板１に対する回路層１１と熱拡散層１２の密着強度を、薄膜導体層７を絶縁樹脂基板１に直接析出させる第二の実施の形態のものよりも高くすることができるので、半導体チップの発熱温度が高く、絶縁樹脂基板１と回路層１１及び熱拡散層１２との密着性を重視する場合には第一の実施の形態のものを選択する、あるいは、半導体チップからの発熱温度がそれほど高くなく、絶縁樹脂基板１と回路層１１及び熱拡散層１２との密着性を向上させるよりも回路層１１及び熱拡散層１２の寸法精度や絶縁放熱基板の小型化を重視したい場合には第二の実施の形態のものを選択するなど、用途に応じて選択すればよい。

本発明を説明するに当たって、高熱伝導絶縁粒子と、回路層及び熱拡散層との間の接触熱抵抗の増大を抑制する手段として、高熱伝導絶縁粒子に無電解めっき処理やスパッタリング等により析出した薄膜導体層を介して厚導体層を積層するとともに、高熱伝導絶縁粒子の非充填エリアに位置する絶縁樹脂基板の厚さを高熱伝導絶縁粒子の充填エリアに位置する絶縁樹脂基板の厚さよりも薄くする例を説明してきたが、絶縁樹脂基板に用いる絶縁樹脂として、横方向の線膨張係数よりも縦方向の線膨張係数が小さい異方性線膨張樹脂を用いれば、絶縁放熱基板の放熱信頼性をより向上させることができる。

また、高熱伝導絶縁粒子を埋め込む手段として、積層プレスの際に絶縁接着剤層から流れ出る樹脂のみで充填する例を挙げたが、予め（即ち、積層プレス前）、当該高熱伝導絶縁粒子の充填エリアに、細かく粉砕した未硬化の熱硬化性樹脂からなる樹脂粉を補助的に入れるようにすれば、樹脂不足によるボイドなどの不具合を確実になくすことができる。

尚、高熱伝導絶縁粒子として、破砕品をイメージした多角形のものを用いて説明してきたが、当該高熱伝導絶縁粒子としては、一定の塊状のものであればどのような形状でもよく、例えば、球状や柱状など、予め成形されたものを用いることももちろん可能である。

１、１ｃ：絶縁樹脂基板
１ａ：絶縁接着剤層
１ｂ：樹脂
１ｄ：絶縁樹脂基板の表面
２：補強繊維
２ａ：抜き部
３：金属箔
３ａ：開口部（金属箔の開口部）
３ｂ：アンカーパターン
３ｃ：絶縁樹脂基板から露出した金属箔の表面
４：高熱伝導絶縁粒子
４ａ：鉤状の凹部
４ｂ：開口部（鉤状の凹部の開口部）
４ｃ：抉れ部
４ｄ：突出部
４ｅ：絶縁樹脂基板から露出した高熱伝導絶縁粒子の表面
５：スペーサー治具
５ａ：開口部（スペーサー治具の開口部）
６：研磨ライン
７：薄膜導体層
８：厚導体層
９：充填エリア
１０：非充填エリア
１１、１１ａ、１１ｂ：回路層
１１ｂａ：金属箔
１１ｂｂ：アンカーパターン
１２、１２ａ、１２ｂ：熱拡散層
１３：クッション材
１４：はんだ
１５：半導体チップ
１６：絶縁基板
１７：低熱膨張材
１８：放熱体
１９：取付ねじ
２０：冷却器
２１：冷却水
２２：接触界面
２３：単なる凹凸形状
２４：金属非充填部
２５：剥離部
２６：溝部
２７：ボイド
２８：エッチングレジストパターン
２９、２９ａ：抉れ部
３０：めっきレジストパターン
３１：凹み部
Ｐ、ＰＰ、Ｐａ、Ｐｂ、：パワーモジュール用絶縁放熱基板
ＳＰ：中間積層体
ＰＭ：パワーモジュール
Ａ、Ｂ：金属箔の露出側表面
Ａ１：絶縁樹脂基板の表面
Ｂ１：絶縁樹脂基板の裏面
Ｔ１：充填エリアの絶縁樹脂基板厚
Ｔ２：非充填エリアの絶縁樹脂基板厚

Claims (18)

1. 一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に設置される冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板であって、少なくとも、半導体チップの搭載エリアに対応する部位に高熱伝導絶縁粒子を有する絶縁樹脂基板と、当該絶縁樹脂基板の表裏面に積層された薄膜導体層と、当該薄膜導体層を介して積層された厚導体層とを有し、且つ、当該半導体チップの搭載エリアに位置する絶縁樹脂基板の表面と、当該半導体チップの搭載エリアに位置する絶縁樹脂基板の表面から露出した高熱伝導絶縁粒子の表面とが面一に形成されているとともに、当該半導体チップの非搭載エリアに位置する当該絶縁樹脂基板の厚さが、当該半導体チップの搭載エリアに位置する当該絶縁樹脂基板の厚さよりも薄く形成されていることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板。
2. 当該半導体チップの非搭載エリアに位置する絶縁樹脂基板と薄膜導体層との間に、当該半導体チップの搭載エリアに位置する絶縁樹脂基板の表面と面一の表面を有する金属箔を備えていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
3. 当該高熱伝導絶縁粒子が、少なくとも絶縁樹脂基板からの露出面に鉤状の凹部を備えており、当該薄膜導体層の一部が、当該鉤状の凹部に噛み合わせ状に食い込んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
4. 当該絶縁樹脂基板が、当該高熱伝導絶縁粒子と同質材料で、且つ、当該高熱伝導絶縁粒子よりも径の小さいフィラーを含有していることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
5. 当該薄膜導体層が、無電解Ｎｉめっきからなることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
6. 当該絶縁樹脂基板が、横方向の線膨張係数よりも縦方向の線膨張係数が小さい異方性線膨張樹脂からなることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
7. 当該絶縁樹脂基板が、内部に補強用の長繊維を含んでいることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
8. 一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に設置される冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法であって、少なくとも、半硬化状態の絶縁接着剤層における当該半導体チップの搭載エリアに対応する部位に抜き部を設ける第一の工程と、当該抜き部を備えた絶縁接着剤層の一方の面に第一の金属箔を配置する第二の工程と、当該絶縁接着剤層に設けられた抜き部内に、当該絶縁接着剤層よりも厚みのある高熱伝導絶縁粒子を充填する第三の工程と、当該絶縁接着剤層の他方の面に第二の金属箔を配置する第四の工程と、当該絶縁接着剤層に設けられた抜き部に対応する部分に開口部を備えたスペーサー治具を当該第一の金属箔及び第二の金属箔の上に配置した後、加熱・加圧処理を行う第五の工程と、当該加熱・加圧処理により盛り上がった突出部を、当該スペーサー治具の開口部から外れた部分に位置する金属箔の露出側表面と面一となるように研磨する第六の工程と、当該突出部が研磨された中間積層体の表裏面に薄膜導体層と厚導体層とを順次積層する第七の工程とを有することを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
9. 当該第二、第四の工程で配置される金属箔が、半導体チップの搭載エリアに対応する部位に開口部を有するものであり、且つ、第五の工程で行われる加熱・加圧処理が、第一、第二の金属箔とスペーサー治具との間に離型性を有するクッション材を介して行なわれることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
10. 請求項９に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法において、加熱・加圧処理が、スペーサー治具を介さないで行なわれることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
11. 当該第六、第七の工程の間に、金属箔を除去する工程を追加することを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
12. 当該第六、第七の工程の間に、当該第六の工程の研磨により露出した高熱伝導絶縁粒子の露出面に鉤状の凹部を形成する工程を追加することを特徴とする請求項８〜１１の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
13. 当該第三の工程で充填する高熱伝導粒子が、表面に鉤状の凹部を備えていることを特徴とする請求項８〜１２の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
14. 当該絶縁接着剤層が、当該高熱伝導絶縁粒子と同質材料で、且つ、当該高熱伝導絶縁粒子より径の小さいフィラーを含有しているものを用いることを特徴とする請求項８〜１３の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
15. 当該第七の工程により積層される薄膜導体層が、無電解ニッケルめっき処理により析出されたニッケル膜からなることを特徴とする請求項８〜１４の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
16. 当該絶縁接着剤層が、横方向の線膨張係数よりも縦方向の線膨張係数が小さい異方性線膨張樹脂からなることを特徴とする請求項８〜１５の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
17. 当該絶縁接着剤層が、内部に補強用の長繊維を含んだものであることを特徴とする請求項８〜１６の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板の製造方法。
18. 当該第三、第四の工程の間に、高熱伝導絶縁粒子が充填された絶縁接着剤層の抜き部に、細かく粉砕した未硬化の熱硬化性樹脂からなる樹脂粉を入れる工程を追加することを特徴とする請求項８〜１７の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板製造方法。