(57)【要約】  【課題】  工数を少なくすることで安価であるとともに、放熱性および絶縁性に優れた絶縁基板を提供する。また、このような絶縁基板を用いる半導体装置を提供する。  【解決手段】  基体となる金属ベース２と、この金属ベース２上にエアロゾルデポジション法により形成される常温衝撃固化膜である絶縁層３と、この絶縁層３の上にコールドスプレー法により形成される溶射皮膜である回路パターン部４と、を備える絶縁基板１とした。また、この絶縁基板１を搭載して放熱特性を高めた半導体装置とした。【選択図】  図１
2006179856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体となる金属ベースと、
金属ベース上に形成される常温衝撃固化膜である絶縁層と、
絶縁層の上に形成される溶射皮膜である回路パターンと、
を備えることを特徴とする絶縁基板。
【請求項２】
請求項１に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、酸化珪素，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも一種によるセラミクス微粒子を前記金属ベースに衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする絶縁基板。
【請求項３】
請求項２に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、酸化珪素，酸化アルミニウムからなる第１の群の少なくとも１種と、窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムからなる第２の群の少なくとも１種と、によるセラミクス微粒子を前記金属ベースに衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする絶縁基板。
【請求項４】
請求項１に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、何れも表面に酸化アルミニウムの被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのうち少なくとも一種によるセラミクス微粒子を前記金属ベースに衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする絶縁基板。
【請求項５】
請求項１に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、何れも表面に酸化珪素の被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのうち少なくとも一種によるセラミクス微粒子を前記金属ベースに衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする絶縁基板。
【請求項６】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の絶縁基板において、
前記回路パターンは、銅，アルミニウム，ニッケル，鉄，チタン，モリブデンの何れか一種もしくはこれらの合金による金属が溶射されて形成された溶射被膜であることを特徴とする絶縁基板。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、エアロゾルデポジション法により形成された常温衝撃固化膜であることを特徴とする絶縁基板。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の絶縁基板において、
前記回路パターンは、コールドスプレー法により形成された溶射被膜であることを特徴とする絶縁基板。
【請求項９】
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の絶縁基板と、
絶縁基板の金属ベースに固着される樹脂ケースと、
樹脂ケース内であって絶縁基板上の回路パターンに搭載されたパワー素子と、
樹脂ケース内に充填されて絶縁基板の絶縁層，回路パターンおよびパワー素子を外界から封止する絶縁樹脂と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の絶縁基板と、
絶縁基板上の回路パターンに搭載されたパワー素子と、
絶縁基板の金属ベースの一部が外界へ露出され、かつ絶縁基板の絶縁層、回路パターンおよびパワー素子を外界から封止するように形成される熱硬化性の絶縁樹脂と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱能力の向上を図る絶縁基板、および、このような絶縁基板を搭載した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換機能を有する半導体装置は、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、広範囲に適用されている。
このような半導体装置では特に絶縁基板の熱抵抗を小さくすることが放熱特性の向上に貢献するため、絶縁基板の開発が鋭意行われている。
このような絶縁基板の従来技術について図を参照しつつ説明する。図５は、従来技術の絶縁基板５００の断面構造図である。絶縁基板５００は、金属ベース５０１、絶縁層５０２、回路パターン５０３を備えている。
金属ベース５０１は、アルミニウム板、アルミニウム合金による板、銅板、銅合金による板などである。
絶縁層５０２は、酸化珪素（ＳｉＯ２），酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３），窒化アルミニウム（ＡｌＮ等）の無機フィラーを含有したエポキシ樹脂を固化して形成した絶縁層であり、その熱伝導率が現状７．０〜１０．０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
【０００３】
回路パターン５０３は、例えば銅の薄膜を形成したパターンである。
このような３層構造の絶縁基板５００は、熱放散性に優れていることからパワー半導体など高発熱部品を実装する配線用の基板として用いられている。特に電源装置に使用されるパワー回路モジュールの配線板用の基板として用いられている。しかしながら、上記のように熱伝導率が現状７．０〜１０．０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であることから、パワー回路モジュールの電流容量は現状５０Ａクラス程度までは適用できるが、これ以上の電流容量での適用は困難であった。
また絶縁基板の他の従来技術について図を参照しつつ、説明する。図６は他の従来技術の絶縁基板６００の断面構造図であり、図６（ａ）は通常の絶縁基板の断面構造図、図６（ｂ）は金属ベース基板も含む絶縁基板の断面構造図である。絶縁基板６００は、図６（ａ）で示すように、セラミクスベース基板６０１、第１回路パターン６０２、第２回路パターン６０３を備えている。
【０００４】
セラミクスベース基板６０１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３），窒化アルミ（ＡｌＮ），窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などを主材とする板であり、厚さ０．２ｍｍ〜０．８ｍｍ程度である。熱伝導率はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミ（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度あり、先の図５の絶縁層５０２のようにエポキシ樹脂に無機フィラーを配合した絶縁層に比べ１〜２桁熱伝導率は高い。
第１回路パターン６０２は、セラミクスベース基板６０１の下側に形成されるパターンであり、銅やアルミニウムの金属箔で形成され、直接接合もしくはろう材によりセラミクスベース基板６０１に接合される。通常は、回路パターンが形成されずに単なる一面ベタのプレート体となる。この第１回路パターン６０２はアースに接続される。
【０００５】
第２回路パターン６０３は、セラミクスベース基板６０１の上側に形成されるパターンであり、銅やアルミニウムの金属箔で形成され、直接接合もしくはろう材によりセラミク
スベース基板６０１に接合される。上側は、通常の回路パターンである。
このような熱伝導率が高いセラミクスベース基板６０１を挟んで両側に回路パターンが形成された絶縁基板６００では、第２回路パターン６０３に搭載した図示しないパワー半導体で発生した熱をセラミクスベース基板６０１→第１回路パターン６０２と経由させて放熱させるため、先の絶縁基板５００では不可能であった、電流容量が５０Ａを超えてより大容量のパワー素子・パワー半導体でも適用できる。
なお、このような絶縁基板６００には、図６（ｂ）で示すように、厚さ２〜３ｍｍの銅板などの金属ベース基板６０４がはんだ部６０５によりで接合されるモジュール構造とする場合もある。
【０００６】
このようなセラミクスベース基板６０１を挟んで両側に回路パターンが形成された絶縁基板６００でも、第２回路パターン６０３に搭載した図示しないパワー半導体で発生した熱をセラミクスベース基板６０１→第１回路パターン６０２→はんだ部６０５→金属ベース基板６０４と経由させて放熱させるため、先の絶縁基板５００では不可能であった、電流容量が５０Ａを超えてより大容量のパワー素子・パワー半導体でも適用できる。
また、放熱特性の向上を図る半導体装置の他の従来技術として、例えば、特許文献１の発明が開示されている。この、特許文献１ではエアロゾルデポジション法により、導体基板の一方の面にセラミクス層を形成する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−４７８６３号公報（段落番号００２６〜００３２、図１、図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように５０Ａを超える用途ではセラミクスベース基板を採用する絶縁基板６００を用いることが好ましい。
しかしながらセラミクスを材料とする絶縁基板は価格が高いという問題があった。その理由として、絶縁基板６００を製造する場合、まず、原料粉をバインダーと練り合わせて形成したシート（グリーンシートと呼ばれる）を高温で焼成してセラミクスベース基板６０１を作成し、その後に、第１，第２回路パターン６０２，６０３用の銅箔またはアルミニウム箔を高温で接合することにより、絶縁基板６００を完成させる。このようにセラミクスを材料とする絶縁基板６００では、セラミクスベース基板６０１の製造時の工数が多いため、価格が高くなる問題があった。
また、特許文献１の半導体装置において配線パターンでは、通常のメッキ法等を用いているが、配線パターンにも改良を加えて、全体的な放熱特性を改善したいという要請があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、工数を少なくすることで安価であるとともに、放熱性および絶縁性に優れた絶縁基板を提供することにある。
また、このような絶縁基板を用いる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明の絶縁基板は、
基体となる金属ベースと、
金属ベース上に形成される常温衝撃固化膜である絶縁層と、
絶縁層の上に形成される溶射皮膜である回路パターンと、
を備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係る発明の絶縁基板は、
請求項１に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、酸化珪素，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも一種によるセラミクス微粒子を前記金属ベースに衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係る発明の絶縁基板は、
請求項２に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、酸化珪素，酸化アルミニウムからなる第１の群の少なくとも１種と、窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムからなる第２の群の少なくとも１種と、によるセラミクス微粒子を前記金属ベースに衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする。
また、本発明の請求項４に係る発明の絶縁基板は、
請求項１に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、何れも表面に酸化アルミニウムの被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのうち少なくとも一種によるセラミクス微粒子を前記金属ベースに衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項５に係る発明の絶縁基板は、
請求項１に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、何れも表面に酸化珪素の被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのうち少なくとも一種によるセラミクス微粒子を前記金属ベースに衝突させることにより接合されて形成された常温衝撃固化膜のセラミクス層であることを特徴とする。
また、本発明の請求項６に係る発明の絶縁基板は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の絶縁基板において、
前記回路パターンは、銅，アルミニウム，ニッケル，鉄，チタン，モリブデンの何れか一種もしくはこれらの合金による金属が溶射されて形成された溶射被膜であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項７に係る発明の絶縁基板は、
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の絶縁基板において、
前記絶縁層は、エアロゾルデポジション法により形成された常温衝撃固化膜であることを特徴とする。
また、本発明の請求項８に係る発明の絶縁基板は、
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の絶縁基板において、
前記回路パターンは、コールドスプレー法により形成された溶射被膜であることを特徴とする。
本発明の請求項９に係る発明の半導体装置は、
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の絶縁基板と、
絶縁基板の金属ベースに固着される樹脂ケースと、
樹脂ケース内であって絶縁基板上の回路パターンに搭載されたパワー素子と、
樹脂ケース内に充填されて絶縁基板の絶縁層，回路パターンおよびパワー素子を外界から封止する絶縁樹脂と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項１０に係る発明の半導体装置は、
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の絶縁基板と、
絶縁基板上の回路パターンに搭載されたパワー素子と、
絶縁基板の金属ベースの一部が外界へ露出され、かつ絶縁基板の絶縁層、回路パターンおよびパワー素子を外界から封止するように形成される熱硬化性の絶縁樹脂と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
このような本発明によれば、工数を少なくすることで安価であるとともに、放熱性および絶縁性に優れた絶縁基板を提供することができる。
また、このような絶縁基板を用いる半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
続いて、本発明を実施するための最良の形態に係る絶縁基板および半導体装置について、図を参照しつつ説明する。図１は本形態の絶縁基板の断面構造図である。この絶縁基板１は、金属ベース２、絶縁層３、回路パターン４を備えている。
金属ベース２は、アルミニウム板、アルミニウム合金による板、銅板、銅合金による板など、金属板からなる。
絶縁層３は、エアロゾルデポジション法により形成された常温衝撃固化膜である。絶縁層３の厚みは、熱抵抗、絶縁性などを考慮して設定するものであり、通常は厚み３０μｍから４００μｍ程度である。エアロゾルデポジション法による絶縁層３は結晶状態で形成されるので、何れの材料でもバルク自身が持つ熱伝導率もしくはそれに近い値の熱伝導率が得られる。エアロゾルデポジション法による絶縁層３の形成については後述する。
【００１６】
このような絶縁層３は各種材料が考えられるが、酸化珪素（ＳｉＯ２），酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３），窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化ホウ素（ＢＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうち少なくとも１種によるセラミクス微粒子がエアロゾルデポジション法により常温衝撃固化し、表面が活性化したのちに結合した粒界相により接合されて形成された常温衝撃固化膜としても良い。
この場合、酸化珪素（ＳｉＯ２）の場合約１．３〜２．０Ｗ／ｍ・Ｋ、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の場合約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の場合約８０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化ホウ素（ＢＮ）の場合３６〜７５Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の場合約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率が確保でき、放熱特性を向上させる。
上記材料のうち、酸化珪素（ＳｉＯ２）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）は、常温衝撃固化膜を形成する際に密着性を向上させるのに好適である。
【００１７】
また、酸化珪素（ＳｉＯ２）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる第１の群のうち少なくとも１種のセラミクス微粒子を、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化ホウ素（ＢＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第２の群のうち少なくとも１種の微粒子と混合した後、エアロゾルデポジション法により常温衝撃固化することで、酸化珪素（ＳｉＯ２）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の微粒子が強固に結合して緻密なセラミクス層として強固な被膜を形成する。
また、他の構成の絶縁層３とすることもでき、例えば、何れも表面に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）による被膜が予め形成された窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化ホウ素（ＢＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうち少なくとも１種によるセラミクス微粒子を、エアロゾルデポジション法により金属ベース２に向けて吹き付けることで衝突により常温衝撃固化させ、表面皮膜の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とコアとなる窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化ホウ素（ＢＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とが強固に結合して形成された緻密な常温衝撃固化膜としても良い。
【００１８】
また、他の構成の絶縁層３は、何れも表面に酸化珪素（ＳｉＯ２）による被膜が予め形成された窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化ホウ素（ＢＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうち少なくとも１種によるセラミクス微粒子を、エアロゾルデポジション法により金属ベース２に向けて吹き付けることで衝突により常温衝撃固化させ、表面の酸化珪素（ＳｉＯ２）とコアとなる窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化ホウ素（ＢＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とが強固に結合して形成された緻密な常温衝撃固化膜としても良い。
回路パターン４は、コールドスプレー法により、銅，アルミニウム，ニッケル，鉄，チタン，モリブデンの何れかによる金属が溶射されて絶縁層３上に形成された溶射皮膜であり、所望の回路パターンとして形成されたものである。回路パターン４を形成する金属は上記金属の合金であってもよい。溶射被膜による回路パターン４は、溶射粒子の表面で密着しており、薄くても電流密度が大きくできるという利点がある。
【００１９】
このように回路パターン４も薄くできるため、放熱特性の向上に寄与できる。
続いて、絶縁基板の製造方法について図を参照しつつ説明する。図２は絶縁基板の製造方法の説明図である。
図２（ａ）は、絶縁層形成工程であり、予め形成した金属ベース２上にエアロゾルデポジション法で絶縁層を成形する工程である。図２（ａ）は、金属ベース２上にセラミクス微粒子を吹き付け、エアロゾルデポジション法で成形している状態を示したものである。金属ベース２の周囲はマスク５で覆われている。このマスク５は必用となる絶縁層３の膜厚とほぼ同じ厚さとなっている。
エアロゾルデポジション法とは、ヘリウムもしくは空気などのガスに、微粒子、超微粒子原料を混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に衝突させて微粒子、超微粒子を常温衝撃固化により堆積させて皮膜を形成する技術である。
【００２０】
本形態の微粒子および超微粒子とは、機械的に粒径０．１〜２μｍに粉砕した粉末であるセラミクス微粒子である。上記のセラミクス微粒子を採用することができるが、ここでは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３），窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化ホウ素（ＢＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の何れかを用いるものとして説明する。
装置はエアロゾル化チャンバーと製膜チャンバーとから構成されている。製膜チャンバー内は真空ポンプで５０〜１ｋＰａ前後に減圧されている。また、エアロゾル化チャンバー内は原料である乾燥したセラミクス微粒子がガスと攪拌・混合してエアロゾル化されている。乾燥しているため、セラミクス微粒子が凝集して大きな粒子とならないようになっている。
このような状況下、装置を動作させると両チャンバーの圧力差により生じるガスの流れによりセラミクス微粒子が製膜チャンバーへ搬送される。この際、エアロゾル化室と成膜チャンバーとの間に解砕器や分級装置が配置されており、解砕器を通過して凝集粒子がセラミクス微粒子へと解砕され、また、分級装置を通過して粒径が小さいセラミクス微粒子のみを通過させる。これらのような配慮により粒径が小さい単体のセラミクス微粒子のみが製膜チャンバーに搬送され、これらセラミクス微粒子はスリット上のノズルを通って数１００ｍ／ｓｅｃ加速する。このように加速したセラミクス微粒子が、金属ベース２に噴射される。
【００２１】
粒径５ｎｍ〜１μｍのセラミクス微粒子が高速で金属ベース２に衝突する。セラミクス微粒子に粒径が数１０ｎｍ程度までのものを用いた場合は、セラミクス微粒子が相互に（一部は後述のように破砕・変形して）結合し、緻密なセラミクス層を形成する。また、セラミクス微粒子に粒径が数１０ｎｍ〜１μｍ程度のものを用いた場合は、衝突の衝撃により、セラミクス微粒子が厚さ（大きさ）が０．５ｎｍ〜２０ｎｍ程度に破砕・変形され、破砕片同士が接合して緻密なセラミクス層を形成する。このセラミクス層では、粒界が判別できない程度にセラミクスが緻密に結合している。また、特に加温することなく常温度で形成可能である。
このセラミクス微粒子として、酸化珪素，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも１種によるセラミクス粒子を用いればよい。このように、少なくとも１種のセラミクス微粒子を用いることにより、粒界が判別できない程度の緻密な絶縁層を形成することができる。
【００２２】
あるいは、酸化珪素，酸化アルミニウムからなる第１の群の少なくとも１種と、窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムからなる第２の群の少なくとも１種と、によるセラミック粒子を用いてもよい。このように２つの群からそれぞれ少なくとも１種類のセラミクス微粒子を選択して用いることにより、第１の群のセラミクス微粒子と第２の群のセラミクス微粒子とが強固に結合し、粒界が判別できない程度の緻密な絶縁層を形成することができる。
あるいは、何れも表面に酸化アルミニウムの被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのうち少なくとも１種によるセラミック粒子や、何れも表面に酸化珪素の被膜が形成された窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの少なくとも１種によるセラミック粒子を用いることもできる。このように表面に酸化アルミニウムもしくは酸化珪素の被膜が形成されたセラミクス微粒子を用いることにより、酸化アルミニウムもしくは酸化珪素と窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムの微粒子とが強固に結合し、粒界が判別できない程度の緻密な絶縁層を形成することができる。
【００２３】
例えば、粒径が５ｎｍ〜１μｍの窒化珪素，窒化ホウ素，窒化アルミニウムのコアフィラーの表面に厚さ１ｎｍ〜１００ｎｍで酸化アルミニウムあるいは酸化珪素の被膜を形成したセラミクス微粒子を用いればよい。なお、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）が望ましく、特に熱伝導率が大きい窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主剤とするのが望ましい。
このように形成された絶縁層３は微細なセラミクス粒子が緻密に結合して形成されたセラミクス層であるため、その厚さを数μｍ〜１００μｍ程度まで薄しても所望の耐圧を得ることができる。
なお、数１０ｎｍ〜１μｍ程度のセラミクス微粒子を用いた方が、絶縁層３の製膜速度の観点では有利である。  そして所定の時間にわたりセラミクス微粒子の吹き付けが行われると、最終的に図２（
ｂ）に示す絶縁層３を形成する。
【００２４】
このような絶縁層３とすることで以下のような利点を有する。
（１）絶縁耐圧が向上する。
エアロゾルデポジション法では室温で成膜が可能であり、かつ音速レベルのスピードでサブミクロンオーダーのセラミクス微粒子を基板に衝突させるため、活性な新生面が露出したセラミクス微粒子が結合し、非常に緻密な電気絶縁膜であるセラミクス微粒子層を形成することが可能となり、膜内に空孔（ボイド）が含まれないため、従来の焼結法により形成されたセラミクス基板よりも単位長さ当たりの破壊電圧が１０倍程度向上する。
（２）熱抵抗を低くする。
単位長さ当たりの破壊電圧が向上するため、絶縁層３を薄く形成することができ、このため全体の熱抵抗が低くなる。
【００２５】
これら（１），（２）のように高絶縁と低熱抵抗とを共に確保することが可能となる。また、機械的に強固に固着させることができる。
絶縁層３の形成後、この絶縁層３の上に溶射被膜による回路パターン４を形成する。
図２（ｃ）は、回路パターン形成工程であり、先に形成した絶縁層３上にコールドスプレー法で回路パターンを成形する工程である。図２（ｃ）は金属ベース２上に形成された絶縁層３上に金属粉をコールドスプレー法で成形している状態を示したものである。絶縁層３はマスク６で覆われている。このマスク６は、必用となる回路パターンが孔として形成されており、回路パターン４の膜厚とほぼ同じ厚さとなっている。
コールドスプレー法とは、溶射技術の一つとして捉えられており、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に替えて、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よっても回路パターンを形成することができる。
【００２６】
コールドスプレー法は、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くてよく、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のに対し、コールドスプレーの場合、常温〜６００℃程度の作動ガスでよい。溶射粒子をあまり加熱せず固相状態のまま基材へ高速で衝突させ、そのエネルギーにより基材と粒子に塑性変形を生じさせて皮膜を形成する。このため設備を従来よりも簡略化でき、この点でも製造コストの低減に寄与する。また、形成される回路パターンの導電率，熱伝導率という点においても他の方法に比べて有利である。
装置は、ボンベなどのガス源から粉末供給装置とガス加熱器とにそれぞれ高圧の作動ガスが供給される。ガスは空気，ヘリウム，窒素などである。
一部の作動ガス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する。
【００２７】
主流となる大半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を上げて、溶射ガンに供給されて超音速ノズルにて加速されて噴出する。
なお、作動ガスの加熱は行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。
このような状況下、溶射を開始すると、超音速ノズルから作動ガスとともに溶射粉末が噴射される。
図２（ｃ）のコールドスプレーには粒子径が約１．０〜５０．０μｍの金属粒子を用いる。粒子材料としては銅，アルミニウム，鉄，チタン，モリブデンなどを用いる。本形態
のような配線板用には通常、銅またはアルミニウムを用いる。これらの金属粒子を５００〜９００ｍ／ｓのスピードで距離１０〜５０ｍｍでマスク６を介し吹き付け、堆積させて溶射皮膜を形成し、図２（ｄ）に示す回路パターン４を形成する。必要な膜厚を得るため所定の時間吹き付ける。回路パターン４の厚みは、電流密度を考慮して設定する。通常は厚み３０μｍから５００μｍ程度である。
【００２８】
このような製造工程で３相構造の絶縁基板１を製作する。
この構成によれば、金属ベース上に直接セラミックス性絶縁層を形成しさらにその上に回路パターンを形成できるので、従来のセラミックス配線板に比べ大幅に工数を低減して安価に製造できる。また、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法ともに高温に加熱する必用がなく、この点でも製造コストの低減に寄与する。
さらに、絶縁層および回路パターン共に放熱特性を向上させて、従来技術の金属ベースプリント配線板に比べても、セラミックス並に熱伝導性に優れた放熱性を有する絶縁基板とすることができる。また、絶縁耐力が充分高いため高出力のパワー素子を搭載できる。
なお、上記の製造方法において、エアロゾルデポジション法によって絶縁層を形成する際に、マスクの開口を調整し、金属ベース１の一方の主面から側面につながるようにセラミクスを付着させた絶縁層３としてもよい。このように構成すると、絶縁層３上の回路パターン４と金属ベース２との沿面距離が長くなり、絶縁耐圧を得る上で有利である。
【００２９】
続いてこのような絶縁基板を用いる半導体装置について図を参照しつつ説明する。図３は本形態の半導体装置の断面構造図である。
半導体装置１０はパワー半導体モジュールであって、絶縁基板１、樹脂ケース１１、リード端子１２、絶縁樹脂１３、パワー素子１４、アルミワイヤー１５を備えている。ここで、絶縁基板１は図１に示すように、金属ベース２上にエアロゾルデポジション法にて形成したセラミックの絶縁層３と、この絶縁層３上にコールドスプレー法にて形成した金属の回路パターン４から構成されるものである。
半導体装置１０は、電力を供給する機能を有している。絶縁基板１上に、リード端子１２を一体に形成した樹脂（エポキシ、ＰＰＳ、ＰＢＴなど）製の樹脂ケース１１が固着されて収容空間が形成される。絶縁基板１の回路パターン４にはパワー素子１４の裏面の電極やリード端子１２が接合（接続・固定）され、パワー素子１４の電極と回路パターン４とはアルミワイヤー１５により接続されている。そして、樹脂ケース１１で形成される収容空間内に、熱伝導性が高いシリコーンゲルやエポキシ樹脂などの絶縁樹脂１３が充填されてパワー回路を封止し、樹脂ケース１１の開口部を樹脂ケース１１と同じ樹脂（エポキシ、ＰＰＳ、ＰＢＴなど）製の蓋１６で覆っている。
【００３０】
ここで、パワー素子１４を制御する制御回路を別のプリント回路基板等に構成し、該プリント基板を前記収容空間内に格納してインテリジェントパワーモジュールとして構成してもよい。
また、図３の円状の拡大部で示すように、金属ベース１の一方の主面から側面につながるようにセラミクスを付着させた絶縁層３としてもよい。このように構成すると、絶縁層３上の回路パターン４と金属ベース２との沿面距離が長くなり、絶縁耐圧を得る上で有利である
パワー素子１４は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子や、そのＦＷＤ（フリーホイールダイオード）などのパワー半導体であり、回路パターン４に搭載されてパワー回路が形成される。必要に応じて抵抗・コンデンサ・コイルなどが共に搭載される場合もある。このようなパワー回路は、パワー半導体素子の発熱、特にスイッチング素子のスイッチング動作に伴う発熱のため高温になることが一般的であるが、半導体装置１０では、冷却性に優れた絶縁基板１、絶縁基板１の金属ベース２に固定された放熱フィン（図示せず）を介して放熱するようになされている。
【００３１】
半導体装置１０の製造方法は、エアロゾルデポジション法およびコールドスプレー法によって形成された絶縁基板１の回路パターン４にパワー素子１４が実装される。続いて、絶縁基板１の周縁に樹脂ケース１１をシリコーン接着材などで接合する。この樹脂ケース１１にはリード端子１２がインサートされて一体に形成されている。続いて、アルミワイヤー１５で回路パターン４と必用なパワー素子１４とを電気的に接続してパワー回路を形成する。同様に、回路パターン４の端子部とリード端子１２とをアルミワイヤー１５で接続する。そして、パワー回路上にシリコーンゲルやエポキシ樹脂などの絶縁樹脂１３を注入してパワー素子１４などの周辺を絶縁、保護する。最後に樹脂ケース１１の開口部に樹脂製の蓋１６を接着する。
半導体装置１０を前述の如くインテリジェントパワーモジュールとして構成する場合は、上記の工程で樹脂製の蓋１６をする前に、パワー素子１４を制御する制御回路を別のプリント回路基板等に構成し、該プリント基板を前記収容空間内に格納する。半導体装置内部において、プリント基板とパワー回路部やリード端子との接続については、内部での接続用のリード端子を設けて、プリント基板の接続孔に貫通させて半田付けする方法やワイヤボンディングで接続する方法など種々あるがその詳細な説明は省略する。
【００３２】
続いて、他の形態に係る半導体装置について、図を参照しつつ以下に説明する。図４は他の形態の半導体装置の断面構造図である。この半導体装置２０はケース構造ではなく、絶縁樹脂２２で一体化した点が先に説明した形態と相違する。半導体装置２０は、絶縁基板１に形成した絶縁層３上の回路パターン４にパワー素子２３やリード端子を接合（接続・固定）し、アルミワイヤー２４によって接続した後、金属ベース２の絶縁層３が形成されていない面を露出するようにパワー素子２３の搭載側を封止樹脂によりモールドして絶縁樹脂２２を形成したものである。ここで、絶縁基板１は図１に示すように、金属ベース２上にエアロゾルデポジション法にて形成したセラミックの絶縁層３と、絶縁層３上にコールドスプレー法にて形成した金属の回路パターン４から構成されるものである。
パワー素子２３はスイッチングにより発熱し高温になるため、半導体装置２０では、絶縁基板１の金属ベース２の一方の面（絶縁層３が形成されていない方の面）が放熱のため外界に露出されている。この絶縁基板１の回路パターン４に、パワー半導体等のパワー素子２３によるパワー回路を形成し、熱伝導性が高いエポキシ樹脂などの絶縁樹脂２２で、リード端子２１が外界に引き出された状態で、絶縁基板１の絶縁層３、回路パターン４およびパワー素子２３をモールドするとともに絶縁基板１の金属ベース２を外界に露出して構成されており、冷却性能を高めている。
【００３３】
なお、図４の円状の拡大部で示すように、金属ベース１の一方の主面から側面につながるようにセラミクスを付着させた絶縁層３としてもよい。このように構成すると、絶縁層３上の回路パターン４と金属ベース２との沿面距離が長くなり、絶縁耐圧を得る上で有利である
半導体装置２０の製造方法は、予め形成した絶縁基板１のパターン回路４に対し、パワー素子２３およびリード端子２１をはんだ付けにより実装する。続いてアルミワイヤー２３でパワー素子２３、回路パターン４、リード端子２１間で超音波接合により電気的に接続してパワー回路を完成させる。
この後、この状態でトランスファー成形機に取り付けられた金型にセットする。金型は１７０〜１８０℃程度に保温されており、予熱後にタブレット状のエポキシ樹脂をプランジャーにて金型内に流し込む。エポキシ樹脂は、酸化珪素（ＳｉＯ２），酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３），窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ホウ素（ＢＮ）からなるフィラー群の１種類以上を含むエポキシ樹脂からなり、熱伝導率は０．５〜５．０Ｗ／ｍ・Ｋの樹脂を用いる。
【００３４】
エポキシ樹脂の注入を行うと数十秒で硬化するので、直ぐに金型から取り出し、恒温槽で後硬化を行って絶縁樹脂２２を形成する。
このようにして完成された半導体装置２０は、絶縁基板１の金属ベース２が外界へ露出され、また、絶縁基板１の絶縁層３および回路パターン４およびパワー素子２３が絶縁樹脂２２で外界から封止されている。
以上説明した本形態の半導体装置１０，２０は、単にパワー回路モジュールのみ備えるものとして説明したが、パワー回路モジュールおよび制御回路モジュールを備えるような半導体装置であってもよい。
このような本発明の半導体装置１０，２０によれば、絶縁性や耐吸湿性、さらに腐食性ガスをブロックするのに優れたエポキシ樹脂等で外界から封止しているため、塵埃と吸湿による絶縁性低下防止や、硫化水素などの腐食性ガスによる電子部品の電極の腐食が防止される。
【００３５】
また、パワー素子１４，２３の電気的な誤動作、短絡によるアーク、火花が吹き出る事態が発生するおそれを低減でき、装置全体が燃焼、火災にいたることを防ぐことが可能となる。
これら効果が相俟って、信頼性が高い半導体装置としている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の絶縁基板の断面構造図である。
【図２】絶縁基板の製造方法の説明図である。
【図３】本発明を実施するための最良の形態の半導体装置の断面構造図である。
【図４】他の形態の半導体装置の断面構造図である。
【図５】従来技術の絶縁基板の断面構造図である。
【図６】他の従来技術の絶縁基板の断面構造図であり、図６（ａ）は通常の絶縁基板の断面構造図、図６（ｂ）は金属ベース基板も含む絶縁基板の断面構造図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：絶縁基板
２：金属ベース
３：絶縁層
４：回路パターン
５，６：マスク
１０，２０：半導体装置
１１：樹脂ケース
１２，２１：リード端子
１３，２２：絶縁樹脂
１４，２３：パワー素子
１５，２４：アルミワイヤー
１６：蓋
【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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