(57)【要約】      （修正有）【課題】大電流、高放熱、高温に優れた低コスト熱伝導基板を提供することができる。また、短い工程で多面付けでの量産を背景とした生産にも適した製造方法を提供する。大電流回路と微細導体回路を併設可能なリードフレーム基板を提供する。【解決手段】大電流と優れた放熱用途のため、金属板６とリードフレームの中間層に高熱伝導材（フィラー含む）、もしくは低弾性樹脂の熱硬化による積層構造体の基板で、表層導体回路の隣接間は平坦化樹脂で保護し、大電流の厚銅回路と微細導体回路８をリードフレームと同じ高さに一体化（併設）もできる熱伝導基板である。【選択図】図５
2014099574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板、熱伝導絶縁層又は低弾性絶縁層とリードフレームからなる熱伝導基板であり、リードフレーム間は平滑剤（平坦化樹脂）により保護し、大電流導体回路と微細導体回路を同一平面で一体化（併設）形成できる高放熱用リードフレーム基板。
【請求項２】
上記、リードフレームは、タフピッチ銅、無酸素銅、その他の合金を含む銅板のいずれかひとつに記載のリードフレーム基板
【請求項３】
上記、熱伝導絶縁層は、熱硬化性樹脂と高熱伝導性フィラー（エポキシ含む）、又は低弾性樹脂を含むリードフレーム基板
【請求項４】
請求項１のリードフレーム基板の製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、電子機器の従来型パワー半導体、次世代パワー半導体、パワーモジュール等を用いた電流制御回路、及び大電流、高温に耐えうる最適な熱伝導基板とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に伴い、従来型から次世代パワー半導体（ＳｉＣ）パワー系電子部品等を用いた回路モジュールには、大電流、高放熱と更なる小型化が求められている。また、パワー系電子部品（例えば，パワー半導体素子等）は大電流、高発熱を伴うため、大電流、高放熱に対応する熱伝導基板の上に実装する必要があり、これに伴う回路基板の放熱性と実装性を考慮した基板が必要となってきている。【０００３】制御機器、モータ等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高効率インバータなど大電力、大電流モジュールの変遷が進み、パワー半導体素子、大電流から熱が大量に発生、増加してきている。電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、ロボット、太陽光発電、風力発電のパワーコンディショナー、産業用モータなどではＳｉＣ（シリコンカーバイド）の採用で大電流制御やハイパワー電源、モータ回路など様々な用途で電気的負荷の大きい小型化が進められて、この熱を効率良く放熱するため、現状で大電力モジュール基板では、要求に沿った熱伝導を持つ窒化アルミ、窒化珪素などのセラミックス基板とその表裏に銅板、アルミ板などの金属板を接合する場合が多い。【０００４】一方で、コスト面から放熱性を改良する技術として、従来のガラスエポキシ樹脂によるプリント基板に対し、アルミ金属基板や銅金属基板を使用し、片面、もしくは両面に絶縁層を介して、導体回路を形成する金属ベース基板が知られている。アルミ金属基板は小電力用途に向いているが、放熱性が十分でないなどの課題もある。【０００５】さらに大電流、高放熱、熱伝導性を要求される基板などは、アルミナや窒化アルミなどのセラミックス基板が利用されるケースが多い。耐熱性や放熱性に優れて３００℃から４００℃に耐えられる。しかしながら、セラミックス基板などはまだまだコストが高く、機械的衝撃、強度に弱く、脆いなどの課題を持っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３２１４６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】上記の金属ベース基板、およびセラミックス基板は、仕様、性能及びコスト面で両立させることが困難なため、熱可塑性樹脂にリードフレームを一体化した射出成形による熱伝導モジュールが提案されている。しかし、成形面でフィラーなどの充填が十分できないため限界あり、放熱性が良くないなどの課題がある。従って、金属ベース基板、およびセラミック基板は、性能面、コスト面の両立等が大きな課題となっていた。
また、大電流用の厚い導体回路パターンと微細導体回路を同一面で併設するのが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】本発明のリードフレーム基板は、このような背景に基づき大電流特性、放熱特性、コスト面等においても優れ、発熱部品搭載も可能な放熱基板であり、実施例にあるような熱硬化性樹脂と高熱伝導性フィラーを組合せて、一例として熱伝導率２Ｗ／ｍＫ以上、耐熱性２５０℃以上など様々な樹脂を選択することにより、放熱性効率を上げ、より少ない製造プロセスにて低コスト製造可能な製造方法を提供する。
また、微細導体（薄銅）回路と大電流（厚銅）回路を同一面で併設することも可能である為、より小型化な大電流、放熱効率性高いパワーデバイス向け基板を提供できる。【０００９】本発明は、金属板とリードフレームの中間層に高熱伝導材（絶縁性樹脂）を積層させる構造で、表層リードフレームの隣接間は平滑剤（平坦化樹脂）により絶縁層を塗布して保護し、リードフレーム回路面と保護絶縁層を面一に大電流、高放熱できる熱伝導基板である。
平滑剤はエポキシ樹脂、フェノール樹脂などを主成分に構成されたものを使用できる。
リードフレーム材として、銅を主体に無酸素銅（記号：Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（記号：Ｃ１１００）とその他の銅合金なども使用できる。
一方、リードフレームの導体間にさらに微細導体回路を施すことも可能であり、その場合は、導体と保護絶縁層も含め表層部に無電解銅メッキ、及び電解銅メッキを施した後に、感光性液状エッチングレジスト（又は、感光性ドライフィルムエッチングレジスト）、露光、現像、エッチングによって必要な導体回路形成を実施する。【００１０】本発明は、上記課題を少ない製造プロセスで信頼性高く、大電流用途の放熱性に優れた低コスト基板を実現することができる特徴がある。【００１１】本発明の中間層に使用する絶縁層としては、市販高熱伝導樹脂、及び低弾性樹脂などを使用することができる。すでに、熱伝導率５Ｗ／ｍＫ以上、耐熱性２５０℃以上の熱硬化性樹脂などが開発されている。
絶縁層は、耐熱性のガラスクロスなど繊維の織布、不織布からなるのが機械強度、耐電圧と耐熱性も確保しやすいため好ましい。また、高放熱性に加え、厳しい温度サイクル環境、半田クラックにも耐えられる信頼性が高い低弾性樹脂を使用して基板を作成することもできる。【００１２】リードフレームの導体回路間に微細導体回路を作成する場合は、実施例として、無電解銅メッキ、及び電解銅メッキを２５から５０μ程度に回路面側に施し、その後、感光性エッチングレジスト、露光、現像、銅エッチングプロセスを行うことで微細導体回路の形成を行なう事ができる。【００１３】本発明のリードフレーム放熱基板の実施例に基づく概略製造プロセスは、以下の通りである。
実施例は、リードフレームの導体パターン形成を最初に金型外形プレス、又はエッチングにて形成後に積層するタイプであり、リードフレームの導体断面を垂直形状に形成できる為、隣接導体回路間の精度を高める場合、及び量産性などに適している。（実施例１）
もうひとつの実施例は導体パターン形成前のリードフレームを積層、密着させた後に、リードフレーム面をエッチングして導体回路を形成するタイプである。（実施例２）
この場合、隣接導体回路との電気的絶縁を確保する為、導体パターンのトップとボトムの両方で適切なスペースが確保される必要がある。エッチングファクタによる影響があるため、導体回路間の間隙精度が緩和できる場合、もしくは微細導体回路のライン／スペース（１００μｍから１ｍｍ）が不要か、大きく広い場合には適用できる。【００１４】（実施例１のプロセス概要）
（ａ）リードフレームのパターン作成
金型プレス、又はエッチング工程にて、所定の導体パターン形状に加工
（ｂ）銅、またはアルミベース板、絶縁層（熱伝導性、低弾性樹脂）、リードフレームを３層に重ねた構造にしてレイアップ
（ｃ）熱プレスによる積層工程
（ｄ）表層部のバフ研磨、化学研磨工程
（ｅ）表層部の粗化工程
（ｆ）リードフレーム面に平滑剤（アンダーコート）塗布工程
（ｇ）機械研磨（セラミックバフ）工程
（ｈ）リードフレーム隣接間に微細導体回路形成の場合、必要に応じてデスミアを実施後、全面銅メッキ工程を実施
（ｉ）感光性エッチングレジスト（ラミネート）、パターン露光、現像、銅エッチング、レジスト剥離工程を経て導体回路を形成
（ｊ）ソルダーレジスト塗布工程
（ｋ）回路形成後の表面処理（Ｎｉメッキ、Ａｕメッキなど）工程、及び外形加工【００１５】（実施例２のプロセス概要）
（ａ）銅、又はアルミベース板、絶縁層（熱伝導性、低弾性樹脂）、リードフレームを順次３層に重ねた構造にしてレイアップ
（ｂ）熱プレスによる積層工程
（ｃ）表層金属部に感光性エッチングレジスト（ラミネート）、露光、現像、銅エッチングにて表層リードフレームの導体回路を形成
（ｄ）表層部のバフ研磨、化学研磨工程
（ｅ）表層部粗化工程
（ｆ）リードフレーム面に平滑剤（アンダーコート）塗布工程
（ｇ）表層部機械研磨（セラミックバフなど）工程
（ｈ）リードフレーム間に微細導体回路形成の場合、全面銅メッキ工程を実施
（ｉ）感光性エッチングレジスト（ラミネート）、パターン露光、現像、銅エッチング、レジスト剥離工程を経て導体回路を形成
（ｊ）導体回路面の凹凸が大きい場合は、静電方式などによるソルダーレジスト塗布工程
（ｋ）回路形成後の表面処理（Ｎｉメッキ、Ａｕメッキなど）工程、及び外形加工
【発明の効果】
【００１６】本発明により、大電流、高放熱性に優れた低コストのリードフレーム放熱基板を提供することができる。また、大電流（厚銅）回路と制御（薄銅）回路の導体回路を併設することができる。
短い工程で基板製造を実施できる為、量産性を背景とした生産に適している。セラミック基板のような小サイズ基板と異なり、多面付けでの基板製造プロセスが容易にできることから生産性を上げることができる。
次世代パワー半導体などに向け、絶縁層を選択することにより、耐衝撃性、厳しい温度サイクル、放熱性などにも適合した大電流、高温に耐えうる最適な熱伝導基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例の形態をあらわす概略積層レイアップ説明図
【図２】積層後の形態をあらわす概略断面説明図
【図３】平坦化樹脂塗布後の形態をあらわす概略断面説明図
【図４】基板表面平坦化の状態を表す概略断面説明図
【図５】リードフレームと微細導体回路の概略断面図
【図６】リードフレームと導体回路の概略平面図
【図７】リードフレームと導体回路の概略平面図（外形加工後）
【図８】リードフレームと導体回路の概略平面図（エッチング工程後）
【符号の説明】
【００１８】１：熱板
２：クッション材（離形紙）
３：プレス板（ＳＵＳ）
４：リードフレーム材
５：絶縁材（熱伝導材、低弾性樹脂など）
６：金属板（銅、アルミニウム材など）
７：平滑剤（平坦化樹脂）
８：微細導体回路
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１９】実施例１における、図１は、熱プレスにより積層する時のレイアップの一例を示す。
リードフレーム基板のベースになる金属板６に熱伝導性のある絶縁材５とリードフレーム材４を重ね、その両サイドには離型性を有するクッション材２を置き、プレス板３で挟むことが好ましい。加熱プレスの熱板１とＳＵＳなどを使用するプレス板３の間には、クッション材２などの離型紙を置くことにより、打痕の防止と押圧力が均一になるようにする。
リードフレーム材としては、種々の合金類、無酸素銅（記号：Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（記号：Ｃ１１００）などが選択でき、例えば、厚みは０．２ｍｍから１ｍｍ程度である。加工性、電気伝導性、電流容量により材料、厚みを選択して最適化できる。リードフレームの導体パターン形成方法としては、エッチングでも良いが、金型プレスによる打ち抜きがパターンの同一性、量産性の面から適している。
金型プレスの場合は、バリなどが発生しやすいことから、レイアップ前には研磨工程を実施して、バリを除去し、滑らかにする。【００２０】ベースになる金属板６としては、通常は銅板、アルミ板、または合金などが使用される。銅板の場合は、無酸素銅（記号：Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（記号：Ｃ１１００）などが多く利用される。絶縁材５としては、ガラス繊維、ポリイミド樹脂とエポキシ樹脂など熱による反応硬化樹脂からなるシート状の基材（プリプレグ）を用いることができる。各種のものが市販されており、それら仕様に合わせていずれも選択、使用できる。絶縁層の平坦、厚みと強度などを一定に保つためには、ガラス繊維入りが好ましい。
また、特に、温度サイクル条件などが厳しい環境用には、実装される部品との間で熱膨張に伴う半田クラックなど防止のために、低弾性の樹脂を使用した絶縁材が適している。【００２１】熱伝導性のある絶縁層は薄い方が放熱特性を高められるが、一方で耐電圧が低下傾向になるため、耐電圧仕様を満足する絶縁厚を選択して最適化する。絶縁層の厚みは、耐電圧と熱伝導性を考慮して、例えば、厚さ５０μから０．２ｍｍで設定する場合が多い。
一例として、絶縁層はガラス繊維入りの１００μ厚（３Ｗ／ｍＫ）で耐電圧４ｋＶの実績があるものが既に製品提供されている。また、熱伝導率５Ｗ／ｍＫ以上、耐熱性２５０℃以上の熱硬化性樹脂が既に開発されている。【００２２】レイアップ後は、樹脂により選択された温度プロファイルに準じて、熱プレスによる積層を実施し、その結果は図２に示される積層体を得ることができる。
熱プレスによる樹脂に対する硬化温度は一例として１６０℃から１８０℃範囲で、圧力は２から３ＭＰａが適切である。
熱プレスにおいては、絶縁性樹脂５にリードフレーム材４を重ね、ベースに銅板６などを挟み加熱、加圧処理を実施することにより熱硬化にて接着させる。樹脂との密着力を高める為、リードフレーム面とベース面の絶縁層との接着する表面は密着力を高めるため事前に機械的、化学的に粗化を施しておくことが好ましい。【００２３】実施例１の図２は、積層後の形態をあらわす断面図であり、図１のレイアップに基づきリードフレーム材４、絶縁材５と金属板６を積層後の断面状況を示す。リードフレーム材４と絶縁材５は密着しているが、表面部分は凹凸が発生して平滑にはならない。リードフレーム材４のある部分が凸形状、無い部分が凹形状となって仕上がる。【００２４】実施例１の図３は、平坦化樹脂塗布後の形態をあらわす断面図であり、表面を平滑にするために平滑剤７をリードフレーム材４側の凹凸部へ、スクリーンメッシュにて塗布し、１２０℃にて仮硬化させたのちに、１８０℃にて熱硬化させる。平滑剤７は、一例として熱硬化タイプのアンダーコートなどがありエポキシ樹脂が主成分でフェノールが含まれた耐薬品性、耐熱性、機械的強度が優れており、銅厚４００ｕｍ以上の基板の平坦化に適用できる。この樹脂は、また耐屈曲性に優れているため薄い小型基板などにも適している。
平坦化樹脂として、特に高い耐熱性が要求される場合は、シリコン樹脂などのシリコン含有のレジストなども選択できる。【００２５】実施例１の図４は、基板表面平坦化の状態をあらわす概略断面図であり、一例として、図３の塗布後の基板に対し、セラミックバフなど使用し（コンベア速度：１ｍ／ｍｉｎ程度）リードフレーム材を含めて表面を研磨する。リードフレーム面が表面に露出するまで研磨を実施することにより、表面を平坦化する。これにより、リードフレームの導体表面と隣接間は全て表面を面一にすることができる。【００２６】図５は、リードフレーム面に微細導体回路８を追加時の状態を示す断面図である。
平坦化された図４の基板に対し、パラジウム等のメッキ触媒を付着させ無電解メッキと電解メッキの組み合わせにより、一例として表面を２０から５０μｍに均一メッキする。
無電解メッキは、銅、ニッケルなどのメッキ液が使用されるが、その後に銅エッチングにて導体回路８を形成するため、銅が好ましい。
表面に全面電解銅メッキを施した後に、感光性エッチングレジストなどラミネートし、導体回路８のパターン形状に応じて露光、現像、エッチングを実施し、形成する。
エッチング後は、残されたドライフィルムエッチングレジストなどを水酸化ナトリウム水溶液にて剥離し、その後洗浄、乾燥させることにより微細導体回路８を形成することができる。【００２７】図６は、実施例におけるリードフレーム枠と導体回路が一緒に付いた基板を上面から見た平面図である。
導体回路部とリードフレーム枠を接続して一緒に積層させているため、各導体が決められた位置に絶縁樹脂と密着させることができる。
上面から見える斜線部分はリードフレームの導体回路と配線回路で、それ以外の部分は平滑剤７による絶縁樹脂、またはソルダーレジストで埋められて保護されている。
リードフレームの導体が全てつながっているため、表面処理に電解メッキなどが必要になる場合は、メッキリードとして使用でき、新たなメッキリードが不要になり容易に実施することができる。
リードフレーム枠の周辺部分は、その後の工程で外形加工を実施する。外形加工後は、図７に示す。実施例としては、金型プレスで裏面から打ち抜き、バリが実装面側に発生しないように外形加工を仕上げる。
Ａ−Ａ’の切断面は図５で表され、底面の金属板に熱硬化樹脂と高熱伝導材を組み合わた高い電気絶縁性を有した樹脂と上部に導体回路を積層した構造が図面から分かる。【００２８】実施例における図８のリードフレーム基板は、耐電圧をさらに高めるため基板端面周辺に導体パターン、及びリードなどを出さない仕様、用途などに適している。
この場合の製造法としては、リードフレームは事前に導体パターン化せずに以下の工程で実施する。
リードフレーム基板のベースになる金属板６に熱伝導性のある絶縁材５と導体形成されていないリードフレーム材４を重ね、その両サイドには離型性を有するクッション材２を置き、プレス板３で挟むことが好ましい。加熱プレスの熱板１とＳＵＳなどを使用するプレス板３の間には、クッション材２などの離型紙を置くことにより、打痕の防止と押圧力が均一になるようにする。導体形成されていないリードフレーム材としては、種々の合金類、無酸素銅、タフピッチ銅などが選択でき、厚みは例えば０．２ｍｍから１ｍｍ程度でモジュール仕様に合わせて選択する。電流容量などにより材料の厚みを選択して最適化することになる。【００２９】熱プレスにおいては、絶縁性樹脂５にリードフレーム材４を重ね、ベースに銅板６などを挟んで加熱、加圧処理を実施することにより熱硬化にて接着させる。樹脂との密着力を高めるためにリードフレーム面とベース面の絶縁層との接着表面は密着力を確保するため事前に機械的、化学的に粗化を施しておくことが好ましい。
熱プレスによる積層を実施後に、リードフレームに導体回路を形成するために、感光性エッチングレジストなどラミネートし、露光、現像、銅エッチング、レジスト剥離の工程を実施し、表層部に導体パターンを形成する。厚銅の場合、エッチファクターの影響を考慮すると、導体間のスペースは回路の厚みに比例して広く確保しておく必要がある。【００３０】リードフレーム材４と絶縁材５は密着しているが、表面部分は凹凸が発生して平滑でなく、リードフレーム材４の導体部分が凸形状、導体の無い部分は凹形状となって仕上がるため、上記実施例の図３に続く工程で平坦化樹脂塗布、表面研磨工程、最終導体回路形成などを経て、表面メッキ処理などを実施し、リードフレーム基板を製造する。【００３１】実施例１のリードフレーム基板の概略製造方法を以下に示す。
１）ベースになる圧延銅板（または、ＡＬ  板）に、エッチング、又はプレスカット後のリードフレーム材４を熱プレスで形成する。銅板、及びリードフレーム材４（通常１ｍｍ程度が多い）は事前に粗化し、絶縁層との密着強度をはかる。
絶縁樹脂（プリプレグ）は用途に応じて、高耐熱、高熱伝導、低弾性などから適切な樹脂を選択する。
２）熱プレスで基板積層完了後に、基板を取り出し、金属部は機械研磨、化学研磨などにより表面を平滑にする。次に平滑剤７を塗布するために表面は事前に粗化を行なう。
その後、表面はリードフレーム材４が積層された構造になっているため、リードフレーム材４と絶縁層の表面は凹凸の段差が生じている。
リードフレームと絶縁層５の凹凸を埋めるため平滑剤（平坦化樹脂）などを回路面全面に印刷塗布する。
平滑剤７を塗布したのち、リードフレーム間の樹脂（絶縁層）を硬化させる。
樹脂（絶縁層）を硬化させた後に、セラミックバフにて平滑剤７面とリードフレーム回路面を平坦化する。
３）リードフレームの隣接間に微細導体回路を形成する場合は、全面に無電解銅、及び電解銅メッキを実施する。実施例としては、通常２０μから５０μのメッキ厚が好ましい。
感光性エッチングレジスト（ラミネート）、パターン露光、現像、銅エッチング、レジスト剥離工程を経て導体回路を形成する。導体回路面には、ソルダーレジストを塗布する。
４）仕様に応じて、導体回路形成後の表面処理（Ｎメッキ、金メッキ）などを実施する。【００３２】実施例２のリードフレーム基板の概略製造方法を以下に示す。
１）銅板、及びリードフレーム材４（通常は１ｍｍ程度）は事前に粗化し、絶縁層との密着強度をはかる。
絶縁樹脂（プリプレグ）は用途に応じて、高耐熱、高熱伝導、低弾性などから適切な樹脂を選択する。
２）熱プレスで基板積層完了後に、基板を取り出し、バフ研磨、化学研磨などにより表面を平滑にする。リードフレーム材の導体回路の形成は、感光性エッチングレジスト、露光、現像、銅エッチング、剥離工程を通して導体回路の形成を実施する。
次に平滑剤７を塗布するために表面は粗化を実施する。
表面はリードフレーム材４が積層された構造になっているため、リードフレーム材４と絶縁層の表面は凹凸の段差が生じている。
リードフレームと絶縁層５の凹凸を埋めるため平滑剤（平坦化樹脂）などを前面に印刷する。
平滑剤７を塗布したのち、リードフレーム間の絶縁層を硬化させる。
絶縁層を硬化させた後に、セラミックバフにて平滑剤７面とリードフレーム回路面を平坦化する。
リードフレームの隣接間に微細導体回路がない場合、そのままソルダーレジストを塗布する。
３）リードフレームの隣接間に微細導体回路を形成する場合、全面に無電解銅、及び電解銅メッキのパネルメッキを実施する。実施例としては、通常２０μから５０μのメッキ厚が好ましいが、仕様に応じて適切なメッキ厚に対応させることも可能である。
感光性エッチングレジスト（ラミネート）、パターン露光、現像、銅エッチング、レジスト剥離工程を経て導体回路を形成する。導体回路面に、ソルダーレジストを塗布する。
４）必要に応じて、導体回路形成後の表面処理（Ｎメッキ、金メッキ）などを実施する。【００３３】上記、実施例によるリードフレーム基板製造により、制御（薄銅微細導体）回路を含めた導体厚を高めた大電流（厚銅）回路とそれに伴う発熱に耐える構造であるため、実装回路面にパワーデバイス部品、パッケージ部品などを搭載して放熱、拡散性を高め、部品の長寿命化にも適した課題を解決する熱伝導基板を提供できる。
【図１】
2014099574.tif 000003
【図２】
2014099574.tif 000004
【図３】
2014099574.tif 000005
【図４】
2014099574.tif 000006
【図５】
2014099574.tif 000007
【図６】
2014099574.tif 000008
【図７】
2014099574.tif 000009
【図８】
2014099574.tif 000010