(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する金属基板と、
前記金属基板の主面と交差する方向に貫通する複数の柱状の貫通孔の配列と、前記配列において隣接する貫通孔の間にそれぞれ形成された金属酸化物と、で構成される分離層と、
を備え、
前記金属基板は前記分離層によって電気的に絶縁された少なくとも２つの領域を備えることを特徴とする素子搭載用基板。
【請求項２】
前記金属基板の主面は、前記隣接する貫通孔の間にそれぞれ形成された金属酸化物と連続して同じ金属酸化物で覆われている部分を有することを特徴とする請求項１に記載の素子搭載用基板。
【請求項３】
前記貫通孔の内部は絶縁樹脂材料が埋め込まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の素子搭載用基板。
【請求項４】
前記分離層は、前記金属基板の主面において、その内部の領域と外部の領域とを絶縁する、多角形または閉曲線の形状に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の素子搭載用基板。
【請求項５】
前記金属基板の主面においてその端辺と前記分離層で囲まれる少なくとも２つの領域を絶縁するように、前記分離層は、その端点が前記金属基板の端辺に達するように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の素子搭載用基板。
【請求項６】
前記金属基板の主面において前記貫通孔の開口は楕円の形状を有し、前記分離層の中心軸と前記楕円の長軸は同一直線上にあることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の素子搭載用基板。
【請求項７】
前記金属基板の主面において前記貫通孔の開口は楕円の形状を有し、前記分離層の中心軸と前記楕円の長軸は所定の角度を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の素子搭載用基板。
【請求項８】
前記金属基板の主面において、前記貫通孔の開口は、前記分離層の中心軸に対し蛇行するように配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の素子搭載用基板。
【請求項９】
主面を有する金属基板と、
前記金属基板の主面と交差する方向に貫通する複数の柱状の貫通孔の配列と、前記配列において隣接する貫通孔の間にそれぞれ形成された金属酸化物と、で構成される分離層と、
前記金属基板上に形成された絶縁層および配線層と、
を備えた素子搭載用基板上にパワー素子および当該パワー素子を制御する制御素子を搭載した半導体パワーモジュールであって、
前記金属基板は前記分離層によって電気的に絶縁された複数の領域を備え、
前記制御素子および前記パワー素子は前記複数の領域のうち異なる領域に分けて搭載されることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板に関し、特に複数種類のモジュールを搭載する素子搭載用基板およびそれを用いた半導体パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：大規模集積回路）のさらなる高性能化、高機能化にともない、その消費電力は増加の傾向にある。また、電子機器の小型化にともなって、実装基板にも小型化、高密度化、多層化が求められている（例えば特許文献１乃至３参照）。このため、回路基板の体積当たりの消費電力（熱密度）は上昇し、その放熱対策の必要性が高まっている。【０００３】
一方、電力用半導体素子（パワー素子）を備えたパワー回路のモジュールと、それを制御、駆動する制御素子を備えた制御回路のモジュールとで構成される半導体パワーモジュールは、負荷へ供給する電力を調整する電力変換装置として、電化製品から産業機器に至るまで幅広い分野で用いられている（例えば特許文献４乃至５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−３０１５４７号公報
【特許文献２】特開昭６０−０７２２９６号公報
【特許文献３】国際公開２００２／０１４４００号
【特許文献４】特開平６−１８８３６３号公報
【特許文献５】特開平６−２８８６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されるようにパワー回路と制御回路とを別の基板を用いて個別のモジュールとして作製したうえ同じケースに収容する構造とすると、モジュール全体としての小型化が難しい。また、小型化と放熱性向上を両立するために金属基板上にパワー回路と制御回路を搭載し、当該基板を共通の接地電極として用いるようにすると、パワー回路からのノイズが金属基板を介して制御回路に回り込み、場合によっては誤作動を引き起こす可能性がある。【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数種類の素子を搭載しても、ノイズの回り込みなど基板を介した素子間の干渉による不具合の発生を抑えることのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は素子搭載用基板に関する。この素子搭載用基板は、主面を有する金属基板と、金属基板の主面と交差する方向に貫通する複数の柱状の貫通孔の配列と、配列において隣接する貫通孔の間にそれぞれ形成された金属酸化物と、で構成される分離層と、を備え、金属基板は分離層によって電気的に絶縁された少なくとも２つの領域を備えるものである。【０００８】
本発明の別の態様は半導体パワーモジュールに関する。この半導体パワーモジュールは、主面を有する金属基板と、金属基板の主面に交差する方向に貫通する複数の柱状の貫通孔の配列と、前記配列において隣接する貫通孔の間にそれぞれ形成された金属酸化物と、で構成される分離層と、金属基板上に形成された絶縁層および配線層と、を備えた素子搭載用基板上に制御素子およびパワー素子を搭載した半導体パワーモジュールであって、金属基板は分離層によって電気的に絶縁された複数の領域を備え、制御素子およびパワー素子は複数の領域のうち異なる領域に分けて搭載されるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、複数種類の素子を搭載しても素子間の干渉による不具合の少ない基板を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】金属基板上に素子を搭載した半導体パワーモジュールの一般的な構造を示す図である。
【図２】本実施の形態における基板を用いた半導体パワーモジュールの構造を示す図である。
【図３】本実施の形態の分離層によって領域を分離した金属基板の構造を示す図である。
【図４】図３に示した金属基板を形成する手順を示す図である。
【図５】本実施の形態においてパワー素子を６つとした場合の制御部領域の配置および形状の好適な例を示す図である。
【図６】本実施の形態における分離層の微視的な構造の変形例を示す図である。
【図７】本実施の形態における分離層の微視的な構造の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施の形態における素子搭載用基板は、複数種類の素子やモジュールを搭載する基板として用いることにより、ノイズの回り込みなど基板を介した素子、モジュール間の不適当な干渉の発生を抑える。したがって搭載するモジュールは特に限定されないが、以後の説明では代表的な例として、半導体パワーモジュールに適用した場合について説明する。まず本実施の形態における素子搭載用基板の効果を明らかにするために、基板を共通とした半導体パワーモジュールの一般的な構成について説明する。
【００１２】
半導体パワーモジュールは高電圧が印加されることから発熱量もかなり大きくなる。そのため、放熱性向上のために、半導体パワーモジュールを金属基板上に搭載する構造が提案されている。その金属基板としては、軽量かつ熱伝導性に優れたアルミニウム合金の採用が進んでいる。
【００１３】
図１はアルミニウム合金などの金属基板上に素子を搭載した半導体パワーモジュールの一般的な構造を示しており、図１（Ａ）が回路構成を上面から見た上面図、図１（Ｂ）が側面から見た側面図である。なお図１（Ｂ）は代表的な構成を全て含むように表した側面図であり、上面図の特定の断面形状を示したものではない。図１において半導体パワーモジュール１００ａは、制御素子１０２ａ、１０２ｂ、およびパワー素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを備える。制御素子１０２ａ、１０２ｂは、入力信号（図示せず）に基づいてそれぞれ制御信号を生成し、当該制御信号をパワー素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄに出力する。
【００１４】
制御素子１０２ａ、１０２ｂは、ドライバＩＣと呼ばれるロジックＩＣからの制御信号を、パワー素子のゲート容量を十分に充放電できる制御信号に変換するためのものである。シグナルプロセッサ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等を含んでいてもよい。また、制御素子１０２ａ、１０２ｂの電源電圧は、一般的には１５Ｖ程度と低く、発熱量が相対的に低い。
【００１５】
パワー素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄは、たとえば、ファンモータのような負荷を効率よく駆動させるために十分な駆動能力が要求される。このため、パワー素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄとして、例えば、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等のディスクリートデバイスが好適である。パワー素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄは、駆動しようとする機器の負荷が大きい場合にジュール熱による発熱が大きくなる。このため制御素子１０２ａ、１０２ｂと比べて発熱量が大きい。
【００１６】
同図に示すように制御素子１０２ａからの制御信号はパワー素子１０４ａ、１０４ｂのゲートに入力され、制御素子１０２ｂからの制御信号はパワー素子１０４ｃ、１０４ｄのゲートに入力される。またパワー素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄのソースおよびドレインは適宜、電源配線、接地配線、出力線のいずれかに接続される。これにより、制御素子１０２ａ、１０２ｂからの制御信号に応じて出力線に接続された負荷回路（図示せず）が駆動される。
【００１７】
制御素子１０２ａ、１０２ｂ、およびパワー素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄの動作は半導体パワーモジュールの一般的な技術のいずれをも採用でき特に限定されない。以後、主にそれらを搭載する基板に着目して説明する。同図の例で基板１１０は金属基板であり、金属層１１２、酸化膜層１０８ａ、１０８ｂ、および絶縁樹脂層１０９によって構成される。基板１１０の上面の絶縁樹脂層１０９上に制御素子１０２ａ、１０２ｂ、パワー素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、及び配線層１０６を設けることにより、各素子を一体的に集積させながら、放熱性の良好な半導体パワーモジュールを実現できる。
【００１８】
この場合、上面の酸化膜層１０８ａおよび絶縁樹脂層１０９には開口部１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを形成して素子や配線とワイヤ接続することにより、制御素子およびパワー素子の双方で金属層１１２を接地電極として利用することができる。しかしこのような構成とすると、金属層１１２が、電源電圧の高いパワー素子から発生したノイズが制御素子へと回り込む経路となる可能性が生じる。そこで本実施の形態では、基板の一体性を保ちながら金属層を電気的に分離することによりノイズの回り込みを抑え、モジュールの電気特性を向上させる。
【００１９】
図２は本実施の形態における基板を用いた半導体パワーモジュールの構造を示しており、図１と同様に、図２（Ａ）が上面から見た上面図、図２（Ｂ）が側面から見た側面図である。図１で示した半導体パワーモジュール１００ａと比較し、同図の半導体パワーモジュール１００ｂは、各素子および配線層は同様であるが、制御素子１０２ａ、１０２ｂを囲む分離層１１４によって制御素子の領域とパワー素子の領域を分離している点が異なっている。以後、分離層１１４によって分離される領域のうち制御素子のある領域を制御部領域、パワー素子のある領域をパワー部領域と呼ぶ。
【００２０】
分離層１１４は、基板１１０を上面から下面へ厚さ方向に貫通するように形成された絶縁層によって構成される。このような構成により、制御部領域の接地電極とパワー部領域の接地電極とを電気的に分離することができ、制御素子のノイズ耐性を向上させることができる。ここで、金属基板としての一体性と電気的な分離とを両立させるために、分離層１１４を次に述べるような構造とする。
【００２１】
図３は本実施の形態の分離層によって領域を分離した金属基板の構造を示している。図３（Ａ）は金属基板１２０を上面から見た上面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の線Ｂ−Ｂ’に沿った金属基板の垂直断面図であり、図３（Ｃ）は図３（Ｂ）の線Ｃ−Ｃ’に沿った金属基板の水平面の断面図である。同図（Ａ）に示すように金属基板１２０の上面において、中央近傍の領域が、点線で示す辺１２２（境界線）を有する矩形で囲まれている。この辺１２２によって図２における分離層１１４が形成され、矩形の内と外を電気的に分離している。
【００２２】
同図（Ｂ）の垂直断面図、（Ｃ）の水平面の断面図によれば、辺１２２の各点は金属基板１２０上面から下面へ貫通した柱状の絶縁樹脂１２３からなる。また隣接する絶縁樹脂１２３の柱の間および柱の周囲を埋めるように酸化膜１３０が形成される。すなわち図２の分離層１１４は、柱状の絶縁樹脂１２３、およびその間と近傍を埋める酸化膜１３０からなる。それ以外の領域、すなわち分離層によって分離された外側および内側の領域は、金属層１２４と、その上面、下面に形成された酸化膜層１２６からなる。素子搭載用基板として用いる場合、上面の酸化膜層１２６上にさらに絶縁樹脂層を形成してもよい。
【００２３】
図４は図３に示した金属基板１２０を形成する手順を示している。まず金属層１２４のみからなる厚さ１．５ｍｍの基板にドリルを用いて上面および下面に開口を有する垂直な貫通孔１３２を設ける（同図（Ａ）の上面図および（Ｂ）の側面図）。金属はアルミニウム、マグネシウム、チタンなどから適宜選択できる。貫通孔１３２は、分離したい領域の境界線上に並ぶように複数個設ける。このとき、後の酸化膜形成を考慮し、孔の間隔は１５μｍ〜１００μｍ程度とする。孔の大きさは、孔の形成処理やその後の処理において基板に十分な強度が残されるよう、上記孔の間隔や基板の厚さなどを考慮して適宜決定してよい。
【００２４】
また境界線は図３、４においては矩形であったが、多角形、円形、楕円形、半円形など直線や曲線を含む様々な形状のいずれでもよく、素子の配置などによって決定できる。さらに図２に示したように、基板の１辺、あるいは２辺と接するように分離する領域を設けてもよい。また図３、４では貫通孔の開口形状は楕円であるが、円などでもよい。境界線によって囲まれる形状の好適な例については後に述べる。
【００２５】
次に基板表面を酸化させる（図４（Ｃ））。例えば基板をアルミニウム合金とした場合、一般的な陽極酸化技術を用いて表面を酸化させアルマイトを形成する。この工程により同図に示すように、貫通孔の内部側壁も酸化させる。このとき酸化膜の到達膜厚をｔμｍとすると、孔の間隔を２ｔμｍ以下とすることにより、隣接する貫通孔１３２の間を酸化膜１３０で満たすことができる。このとき同時に、基板の上面、下面にも酸化膜が形成される。
【００２６】
次にスキージを用いてペースト状またはシート状の樹脂材を埋め込み硬化させるなど一般的な埋め込み技術によって貫通孔１３２に絶縁樹脂を埋め込む。これにより柱状の絶縁樹脂１２３が形成される。絶縁樹脂層１２３の材料としては、ＢＴレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂が例示される。その後の配線層形成、各素子のマウント、ワイヤボンディングなどの工程は一般的に採用されている技術を適用できる。
【００２７】
次に、このように分離層によって電気的に分離した金属基板を半導体パワーモジュールに適用したときの、パワー部領域と制御部領域の形状および配置について例示する。上述のように本実施の形態において分離層によって分離される領域の形状は特に限定されない。また分離層を上面から見て閉曲線や多角形として基板の端から離れた領域に島状に形成してもよいし、基板の端に形成してもよい。ただし基板を直線状に２分割するような態様は基板の強度について配慮が必要となる。
【００２８】
なお分離層によって島状の領域を形成し、当該領域の金属基板を接地電極として使用する場合は、当該領域の基板を接地させる配線を別途形成する。また半導体パワーモジュールに適用する場合、次に述べるように、分離層に囲まれた領域を制御部領域、その外側の領域をパワー部領域とすると様々な効果が得られるが、そのような配置で本実施の形態を限定する趣旨ではない。
【００２９】
図５は３相インバータを想定しパワー素子を６つとした場合の制御部領域の配置および形状の好適な例を示している。同図は基板１４０を上面から見たときのパワー部領域、制御部領域、パワー素子、制御素子の配置を表している。この例では、制御部領域１４４は正六角形の形状を有し、基板１４０の略中央に配置されることにより、パワー部領域１４２に周囲を囲まれている。そして制御部領域１４４の中央に制御素子１４８を配置し、制御部領域１４４の６つの辺の近傍に１つずつパワー素子１４６を配置する。
【００３０】
このような形状とすると、配線の引き回しを単純化できるうえ、パワー素子１４６と制御素子１４８の距離を全てのパワー素子で略均一にできるため、信号の送受にかかる時間やノイズの観点からパワー素子１４６の制御を均質化できる。また制御素子１４８からパワー素子１４６までの距離を増大させずに制御部領域１４４の面積を大きくとることができる。これにより、全体的なモジュールサイズを抑えながら制御素子１４８に対する接地電極の面積を広げてグランド強化を行える。
【００３１】
また、制御素子１４８とパワー素子１４６を配線層によって接続した場合は、当該配線のうち制御部領域１４４上にある部分の割合を大きくできるため、制御素子１４８へのノイズの回り込みをさらに軽減させることができる。図５はパワー素子１４６を６つとした場合の好適な例であったが、パワー素子Ｎ個に対し制御部を正Ｎ角形として同様に配置することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
次に分離層の微視的な構造の変形例を示す。図６は変形例における、基板１５０を上面から見たときの分離層１５２の形状を表している。図３の例では絶縁樹脂を埋める貫通孔の開口部である楕円の長軸と、楕円の列の軸、すなわち基板平面上での分離層の中心軸が同一線上にあったが、同図の場合、全ての楕円の長軸１５６が、分離層の中心軸１５４に対し所定の角度で斜めになるように形成されている。
【００３３】
図７は別の変形例における、基板１６０を上面から見たときの分離層１６２の形状を表している。同図の例では、開口部を円形とし、分離層の中心軸１６４に対し蛇行するように貫通孔を配置している。図６および図７に示した構造によっても、ある貫通孔から成長する酸化膜が隣接する貫通孔から成長した酸化膜に及ぶように、隣接する貫通孔の距離を決定することにより、基板の一体性を保ちながら電気的に分離させることができる。
【００３４】
また、貫通孔同士の距離をそのように限定しても、図６や図７で示したように孔の形状や向き、配置を工夫することで応力を分散させ、基板の強度を保つことができる。さらに図３、図６、図７のように分離層の厚さを調整することができるため、許容されるモジュール面積やノイズ軽減効果などに鑑み最適な形状を選択することができる。
【００３５】
以上述べた本実施の形態によれば、素子を搭載する金属基板に複数の貫通孔を線状に配列させて形成し、陽極酸化などにより酸化膜を形成することにより隣接する貫通孔の間を絶縁膜とする。これにより金属基板が物理的につながった状態でありがなら貫通孔の配列において絶縁された状態を作り出すことができる。さらに貫通孔に絶縁樹脂を埋め込むことにより基板の強度を保つことができる。
【００３６】
当該金属基板を半導体パワーモジュールに適用することにより、パワー素子を搭載した領域と制御素子を搭載した領域の基板を絶縁させ、領域ごとに個別の接地電極とすることができる。結果としてパワー部から発生したノイズが制御部に回り込み、モジュールの誤動作が発生するなどの不具合を軽減させることができる。また３相インバータの相ブロックを分離させることもでき、モジュール全体で電気特性を向上させることができる。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００３８】
１００ｂ  半導体パワーモジュール、  １０２ａ  制御素子、  １０４ａ  パワー素子、  １０６  配線層、  １１０  基板、  １１２  金属層、  １０８ａ  酸化膜層、  １０９  絶縁樹脂層、  １１４  分離層、  １２３  絶縁樹脂、  １２４  金属層、  １３０  酸化膜、  １４４  制御部領域、  １４２  パワー部領域。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように本発明は、ＬＳＩ、半導体パワーモジュールなどの電子部品に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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