(57)【要約】【課題】少ない工数で製造が可能で安価かつ放熱性に優れた配線基板を提供する。【解決手段】絶縁層２に銅箔を張り合わせて回路パターン３を形成した配線基板において、その回路パターン３の上部に、さらにコールドスプレー法により金属材料を積層して厚みを上積みし、上積み回路パターン５を形成する。したがって、この厚肉の上積み回路パターン５上にパワー半導体６を搭載しても、その損失により発生した熱を上積み回路パターン５で拡散できるので熱抵抗を減らすことができ、上積み回路パターン５のない従来の配線基板に比べて大幅に熱抵抗の少ない放熱性に優れた配線基板を構成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板に金属箔を張り合わせ、前記金属箔を加工して回路パターンを形成した配線基板において、
前記回路パターンは、発熱半導体部品が搭載される部分の上部に、上積み回路パターンが積層して設けられていることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記上積み回路パターンは、搭載される半導体チップの端部から前記上積み回路パターンの端部までの距離を前記回路パターンおよび前記上積み回路パターンの合計の厚みと等しくしたことを特徴とする請求項１記載の配線基板。
【請求項３】
前記上積み回路パターンは、搭載される半導体チップの端部から前記上積み回路パターンの端部までの距離と前記回路パターンおよび前記上積み回路パターンの合計の厚みとの比を０．８〜１．２の範囲にしたことを特徴とする請求項１記載の配線基板。
【請求項４】
前記絶縁板が金属板に接合された無機フィラー充填樹脂とした金属ベース配線基板であることを特徴とする請求項２または３記載の配線基板。
【請求項５】
前記絶縁板が両側に前記金属箔を張り合わせたセラミックス絶縁板としたセラミックス配線基板であり、前記セラミックス絶縁板の原料は、Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4から選ばれた１つであることを特徴とする請求項２または３記載の配線基板。
【請求項６】
前記上積み回路パターンの材料は、銅、アルミニウム、鉄、チタン、モリブデン、ニッケルから選ばれた１つであることを特徴とする請求項２または３記載の配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は配線基板に関し、特に放熱性に優れ、産業用の電源機器にも適用できる配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置に使用される半導体モジュールは、家庭用エアコン、冷蔵庫などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲に渡って適用されている。特に、パワー半導体を搭載したＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールなどは、発熱が大きいことから、放熱性に優れた金属ベース配線基板やセラミックス配線基板が用いられてきている。
【０００３】
図３は従来の金属ベース配線基板の断面構造を示す図である。
金属ベース配線基板は、ベース金属１０１と、このベース金属１０１上に形成された絶縁層１０２と、この絶縁層１０２上に形成された回路パターン１０３との３層構造になっている。ベース金属１０１は、アルミニウム板または銅板などの放熱性に優れた金属が用いられている。絶縁層１０２は、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮなどの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂などからなっている。
【０００４】
回路パターン１０３は、通常、銅箔が用いられているが、まれにアルミ箔が用いられる場合もある。銅箔は、通常３５μｍ〜１４０μｍ程度の厚みのものが用いられている。この銅箔は、湿式エッチングにより所定の回路パターンに加工される。電流容量が１０Ａ程度と小さく、発熱の小さいパワー半導体の場合、そのパワー半導体は、直接この回路パターン１０３にはんだ付け接合により搭載される。パワー半導体の電流容量が大きくなる場合は、熱をこの回路パターン１０３上に広げて熱抵抗を低減させるため、銅箔の厚みは、１４０μｍ程度の厚いものにする。１４０μｍで足りない場合は、さらに厚い、例えば２００μｍ、２５０μｍなどの銅箔を用いる。さらに、回路パターン１０３の厚みを１ｍｍ以上、例えば３〜４ｍｍの厚みにすれば、ヒートスプレッダ効果が発揮され、パワー半導体で発生した熱は横方向に広がり、熱抵抗は大幅に低減される。
【０００５】
金属ベース配線基板に使用される絶縁層１０２は、絶縁信頼性と熱放散性に優れていることが必要である。さらに、絶縁層１０２としては、応力緩和性、耐湿性、耐熱性などに優れていることも要求されており、それに適した樹脂組成物も知られている（たとえば、特許文献１〜３参照。）。このように、回路パターン１０３が熱放散性に優れた絶縁層１０２を介してベース金属１０１に接合されていることにより、金属ベース配線基板は、パワー半導体など高発熱部品を実装する配線基板として用いられている。
【０００６】
しかしながら、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮなどの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂の場合、充填量に限界があるので、その熱伝導率は現状７〜１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。したがって、適用できるパワー半導体モジュールの電流容量にも限界があり、現状では５０Ａクラス程度までしか適用できない。
【０００７】
これに対し、５０Ａを超える、より大容量のパワー半導体モジュールの場合には、金属ベース配線基板ではなく、絶縁層の熱伝導率がより高いセラミックス配線基板が用いられている。
【０００８】
図４は従来のセラミックス配線基板の断面構造を示す図であって、（ａ）はセラミックス配線基板を示し、（ｂ）はベース金属が接合されたセラミックス配線基板を示している。
【０００９】
セラミックス配線基板は、セラミックス絶縁板１０４の両側に回路パターン１０３が張り合わせられることによって構成されている。セラミックス絶縁板１０４は、原料紛をバインダーと練り合せ、グリーンシートと呼ばれるシート状の絶縁板にし、これを高温にて焼成することによって作製される。その後に、回路パターン１０３用の銅箔、もしくはアルミニム箔を高温で接合することにより、配線基板にする。さらに、これらセラミックス配線基板は、通常、厚さ２〜３ｍｍ程度の銅板のベース金属１０１にはんだ層１０５を介して接合されている。
【００１０】
セラミックス絶縁板１０４は、その原料として、Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4などが用いられている。そのセラミックス絶縁板１０４の熱伝導率は、原料がＡｌ2Ｏ3の場合、約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、原料がＡｌＮの場合、１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、そして、原料がＳｉ3Ｎ4の場合、８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度となっており、エポキシ樹脂に無機フィラーを配合した場合に比べて、１〜２桁高くなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−１２６５３号公報
【特許文献２】特開２００２−７６５４９号公報
【特許文献３】特開２００２−１１４８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、金属ベース配線基板の場合、熱抵抗を低減するため、銅箔を厚くしていくと、回路パターン層を加工するためのエッチング加工の時間が厚みに比例して長くなっていくので、加工費が大幅に高くなり、コストが大幅に嵩んでしまうという問題点があった。しかも、回路パターン層の厚みが３〜４ｍｍにもなれば、銅を溶かすのに長い時間を要するだけでなく、回路パターン層の端部のエッチングが精度良くできなくなるので、エッチング加工自体が現実的でなくなる。
【００１３】
また、セラミックス配線基板の場合、セラミックス絶縁板を一度作製し、それに回路パターン層を接合し、エッチング加工し、このようにして作製されたセラミックス配線基板をベース金属にはんだで接合する、というように多くの工数が必要になっていることから、価格が高く、低価格化が困難であるという問題点があった。しかも、セラミックス配線基板の場合、回路パターン用の銅箔をあまり厚くすることができない。ヒートスプレッダ効果を高めるために厚い銅箔もしくは銅板を貼り付ければよいが、約１０００℃以上の高温で銅板をセラミックス絶縁板に接合するので、両側の厚みを同じにしておかないと熱膨張係数の違いにより冷却時にバイメタル効果でそり曲がってしまう。また、前述のように、銅箔または銅板が厚くなるとエッチング加工費が大幅に高くなってしまうので、現在、セラミックス配線基板の回路パターンの厚みは、正確には０．６ｍｍ程度以下までしか用いられていない。
【００１４】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、少ない工数で製造が可能で安価かつ放熱性に優れた配線基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では上記問題を解決するために、絶縁板に金属箔を張り合わせ、前記金属箔を加工して回路パターンを形成した配線基板において、前記回路パターンは、発熱半導体部品が搭載される部分の上部に、上積み回路パターンが積層して設けられていることを特徴とする配線基板が提供される。
【００１６】
このような配線基板によれば、金属箔の回路パターンの上にさらに厚い上積み金属パターンが形成されている。これにより、この厚肉の上積み回路パターン上にパワー半導体を搭載すれば、その損失により発生した熱が厚肉の上積み回路パターンで拡散できるので熱抵抗を減らすことができ、熱抵抗の少ない放熱性に優れた配線基板を構成することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、上積み回路パターンを備えた配線基板は、絶縁板が金属板に接合された無機フィラー充填樹脂とした金属ベース配線基板であることを特徴とする。
さらに、本発明によれば、上積み回路パターンを備えた配線基板は、絶縁板が両側に金属箔を張り合わせたセラミックス絶縁板としたセラミックス配線基板であり、セラミックス絶縁板の原料は、Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4から選ばれた１つであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の配線基板は、金属箔の回路パターンを少なくとも部分的に厚く形成することができるため、この厚肉の回路パターン上にパワー半導体を搭載すれば、損失により発生した熱が厚肉の回路パターンで拡散できるので、熱抵抗を減らすことができ、従来の金属ベース配線基板やセラミックス配線基板に比べ大幅に熱抵抗の少ない放熱性に優れた配線基板を安価かつ容易に作製できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の配線基板の製造工程および完成したパワー半導体モジュールの状態を示したものであって、（ａ）は金属ベース配線基板を示し、（ｂ）はコールドスプレーによる上積み回路パターンの形成工程を示し、（ｃ）は上積み回路パターンが形成された状態を示し、（ｄ）は上積み回路パターン上にパワー半導体が実装されたパワー半導体モジュールを示している。
【図２】上積み回路パターンの厚みについての説明図である。
【図３】従来の金属ベース配線基板の断面構造を示す図である。
【図４】従来のセラミックス配線基板の断面構造を示す図であって、（ａ）はセラミックス配線基板を示し、（ｂ）はベース金属が接合されたセラミックス配線基板を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態として、絶縁層に金属箔を張り合わせ、その金属箔を加工して所定の回路パターンを形成した金属ベースのプリント配線板に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の配線基板の製造工程および完成したパワー半導体モジュールの状態を示したものであって、（ａ）は金属ベース配線基板を示し、（ｂ）はコールドスプレーによる上積み回路パターンの形成工程を示し、（ｃ）は上積み回路パターンが形成された状態を示し、（ｄ）は上積み回路パターン上にパワー半導体が実装されたパワー半導体モジュールを示している。
【００２２】
金属ベース配線基板は、図１の（ａ）に示したように、ベース金属１上に無機フィラーを含有した絶縁層２を設け、その上に回路パターン３を張り合わせた３層構造の構成になっている。
【００２３】
回路パターン３は、通常、銅箔が用いられている。なお、この回路パターン３は、銅箔に代えて、アルミ箔を用いてもよい。絶縁層２に張り合わされた銅箔は、湿式エッチングにより所定のパターンに加工され、回路パターン３となる。ここで、銅箔は、通常、３５μｍ〜１４０μｍ程度の厚みを持った標準品が用いられる。また、回路パターン３のパターン幅は、回路の電流容量により決められるが、エッチング加工費を考慮すると、銅箔の厚さは、できるだけ薄い方が望ましい。
【００２４】
以上のように形成された金属ベース配線基板は、従来の金属ベース配線基板と同じであるが、本発明による配線基板では、回路パターン３の中で、放熱性を向上させたい領域のみ部分的に厚みを増すようにしている。すなわち、図１の（ｂ）に示したように、回路パターン３の上に、その厚みを増したい領域に対応した形状の孔が開けられたマスク４を配置し、その上方からコールドスプレー法にて金属紛を常温にて超音速で吹き付け、回路パターン３上に金属紛を積層させていくことにより、図１の（ｃ）に示した上積み回路パターン５を形成する。
【００２５】
ここで、コールドスプレー法について説明する。コールドスプレー法は、溶射技術の１つとしてとらえられており、溶射材料の融点または軟化温度よりも低い温度のガスを超音速流にして、その流れの中に溶射材料粒子を投入して加速させ、固相状態のまま基材に高速で衝突させて皮膜を形成する技術である。コールドスプレー法の特徴は、従来のプラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などに比べて、溶射材料粒子を加熱・加速する作動ガスの温度が著しく低いことである。プラズマ溶射などは２０００〜８０００℃の高い作動ガスの温度が必要であるが、コールドスプレーの場合、常温〜６００℃程度の作動ガスでよい。溶射材料粒子をあまり加熱せずに固相状態のまま基材へ高速で衝突させるが、臨界速度に達するとその衝突エネルギにより基材と溶射材料粒子とが塑性変形して皮膜を形成する。そのため、他の溶射方法と違い、溶射材料の熱による酸化や熱変質を最小限にすることが可能である。
【００２６】
コールドスプレー装置は、ボンベなどのガス源から供給された高圧ガスを粉末供給装置とガス加熱器とに分岐させる。このうち、主流の作動ガスは、電気炉などで直接または間接的に加熱されるコイル状のガス管内を流れて温度が上げられ、溶射ガンに供給されて超音速ノズルにより加速されて噴出する。
【００２７】
一方、作動ガスの一部は、粉末供給装置へ分流されてキャリアガスとして溶射粉末とともに溶射ガン後方に流入される。作動ガスの加熱は、行なわない場合もあるが、加熱した方が粒子速度を高くでき、かつ粒子の塑性変形を生じやすくするために有利である。ガスとしては空気、ヘリウム、窒素が使用される。
【００２８】
ここで、回路パターン３に溶射される溶射材料には、粒子径が１〜５０μｍの金属材料が用いられる。その粒子材料としては、銅、アルミニウム、鉄、チタン、モリブデン、ニッケルなどが用いられる。配線基板用には、通常、銅またはアルミニウムが用いられる。これらの溶射材料粒子は、５００〜９００ｍ／ｓのスピードで、１０〜５０ｍｍの距離を隔ててマスク４越しに回路パターン３に吹き付けられて堆積させられ、これによって、図１の（ｃ）に示したように、回路パターン３上に上積み回路パターン５が形成される。上積み回路パターン５が必要な膜厚を得るため、溶射材料粒子の吹き付けは、所定の時間行われる。上積み回路パターン５の厚みは、パワー半導体の発生ロスを考慮して設定される。発生ロスにもよるが、効果のある上積み回路パターン５の厚みは、０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度である。
【００２９】
このような製造工程により上積み回路パターン５を直接銅箔に接合した３層構造の金属ベース配線基板が作製される。その後、コールドスプレーにより積層された上積み回路パターン５の上にパワー半導体６が実装される。パワー半導体６は、通常、ＳｎＰｂ系はんだやＳｎＡｇＣｕ系はんだによって上積み回路パターン５に接合される。
【００３０】
そして、最後に、パワー半導体６は、外部回路への接続を行なうためワイヤ７による必要な結線が行われて、図１の（ｄ）に示したパワー半導体モジュールが作製される。パワー半導体６のように電流容量が大きい半導体素子の場合、ワイヤ７は、通常、アルミニウム製ワイヤが用いられる。
【００３１】
なお、コールドスプレーにより上積みされる上積み回路パターン５は、回路パターン３の放熱が必要なパワー半導体６が搭載される部分のみに形成したが、回路パターン３の全面に形成しても良い。
【００３２】
また、コールドスプレーにより積層された銅材もしくはその他の金属材料でも、その材料が本来持っている熱伝導率を得ることができる。
さらに、ここでは、配線基板の一実施の形態として、金属ベース配線基板の場合について説明したが、図４に示したセラミックス配線基板でも、パワー半導体が搭載される側の回路パターン１０３の上に同様の製造方法にて上積み回路パターンを形成することができる。
【００３３】
次に、コールドスプレーにより回路パターン３上に積層する上積み回路パターン５の厚みの最適化について説明する。
図２は上積み回路パターンの厚みについての説明図である。
【００３４】
パワー半導体６から発生する熱流は、通常、斜め４５度の角度で拡散し広がるという性質を有している。したがって、パワー半導体６のチップ端部から上積み回路パターン５の端部までの距離ａは、回路パターン３および上積み回路パターン５の合計の厚みｂと等しければ、ヒートスプレッダ効果が最大に発揮され、熱抵抗を大幅に低減することができる。このため、パワー半導体６の大きさに対して無理に回路パターン３および上積み回路パターン５の幅を広げる必要はないし、無理に上積み回路パターン５の厚みを増加させる必要もない。
【００３５】
以上の上積み回路パターン５の幅および厚みの関係から、搭載されるパワー半導体６の端部から上積み回路パターン５の端部までの距離ａと回路パターン３および上積み回路パターン５の合計の厚みｂとの比は、１が最適であるが、０．８〜１．２の範囲であれば、実質的に十分な熱拡散性が得られる。これが０．８未満では十分な熱拡散性が得られない場合が生じ、１．２を超えても効果は飽和することになる。
【００３６】
なお、以上の実施の形態では、絶縁層またはセラミックス絶縁板に銅などの金属箔を張り合わせ、その金属箔を加工して所定の回路パターンを形成したプリント配線板に適用した場合について詳述したが、リードフレームの回路パターンの厚み調整に適用することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１  ベース金属
２  絶縁層
３  回路パターン
４  マスク
５  上積み回路パターン
６  パワー半導体
７  ワイヤ
１０１  ベース金属
１０２  絶縁層
１０３  回路パターン
１０４  セラミックス絶縁板
１０５  はんだ層
【図１】
2010239164.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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