(57)【要約】【課題】絶縁基板の材料として絶縁樹脂接着シートを使用して、信頼性の高い半導体モジュールを簡易な手法で製造する。【解決手段】積層構造体３は、半導体素子１と、接合層１７を介して半導体素子１を支持するリードフレーム２１と、リードフレーム２１に接合層２３を介して電気伝導可能かつ熱伝導可能に接合された金属箔層２５と、この金属箔層２５に接着した絶縁樹脂接着層２７と、絶縁樹脂接着層２７に接着して、ヒートシンク１３への熱伝導を媒介する伝熱金属層としての金属板層２９と、を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールに用いる積層構造体であって、
半導体素子と、
前記半導体素子を支持するリードフレームと、
前記リードフレームに電気伝導可能かつ熱伝導可能に接合された金属箔層と、
前記金属箔層に接着した絶縁樹脂接着層と、
前記絶縁樹脂接着層に接着した、放熱部材への熱伝導を媒介する伝熱金属層と、
を備えている積層構造体。
【請求項２】
前記リードフレームと金属箔層との接合部分に、金属接合層を備えている請求項１に記載の積層構造体。
【請求項３】
前記金属箔層の前記絶縁樹脂接着層と当接する側の面、及び前記伝熱金属層の前記絶縁樹脂接着層と当接する側の面に、それぞれ表面処理層を有する請求項１又は２に記載の積層構造体。
【請求項４】
前記金属箔層と、前記絶縁樹脂接着層と、前記伝熱金属層と、が両面金属張積層体から加工されてなるものである請求項１から３のいずれかに記載の積層構造体。
【請求項５】
前記絶縁樹脂接着層が、エポキシ樹脂フィルムから形成されてなる請求項１から４のいずれかに記載の積層構造体。
【請求項６】
前記エポキシ樹脂フィルムが、熱伝導性フィラーを含有してなる請求項５に記載の積層構造体。
【請求項７】
半導体モジュールに用いる積層構造体の製造方法であって、
絶縁樹脂フィルムの表裏それぞれの面に、金属箔と伝熱金属層とが積層された両面金属張積層体を用意し、該両面金属張積層体の金属箔をエッチングにより部分的に除去する工程と、
エッチングによって除去された部分以外の残りの金属箔に、リードフレームとなる金属板を接合する工程と、
前記リードフレームとなる金属板の外側に、さらに半導体素子を接合する工程と、
を備えた積層構造体の製造方法。
【請求項８】
前記接合する工程を、ハンダ付け又は金属系接着剤により行う請求項６又は７に記載の積層構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＩＧＢＴ素子を搭載した半導体パワーモジュールなどに使用可能な積層構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御用電力素子の大容量化に伴い、制御用モーターのみならず駆動用モーターも直流モーターから交流モーターへ変化している。交流モーターを用いることで、メンテナンスフリー、大容量化、きめ細かい制御が達成される。そのため、交流モーターは、例えば高速鉄道、ハイブリッド自動車、電気自動車への利用が進展している。交流モーターを制御する電力素子の中心となるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュールに使用される絶縁基板には、絶縁性と熱伝導性を併せ持つことが必要とされており、従来は、セラミック基板が中心に使用されていた。セラミック基板は、絶縁性と熱伝導性に優れており、信頼性を有するが、価格が高い、重い、構造が複雑になるといった欠点がある。このような欠点が、ＩＧＢＴモジュールを例えば自動車用途へ利用する上で問題となっている。
【０００３】
これら欠点を解消するため、例えば、特許文献１では、パワーモジュールにおいて絶縁基板の材料として絶縁樹脂接着シートを用いることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８８０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
絶縁基板の材料として、セラミックスの代わりに上記絶縁樹脂接着シートを使用する場合、ＩＧＢＴモジュールの構造から、絶縁樹脂接着シートには、ＩＧＢＴ素子に電気的に接続される金属板（リードフレーム）と、放熱部材への熱伝導を媒介する金属板（スペーサー）との間の絶縁性を確保しながら、ある程度の伝熱性を有しており、さらに熱衝撃に耐える接着性が要求される。しかし、金属板であるリードフレームやスペーサーと絶縁樹脂接着シートとは、線熱膨張率が異なるため、強固な接着性を維持するためには、アンカー効果を付与させる目的で、金属板の表面をサンドブラスト処理のような機械的処理、粗化エッチングのような化学的処理により、表面粗化させておく必要がある。
【０００６】
また、ＩＧＢＴ素子のリードフレームのように小型で厚みのある部材と絶縁樹脂接着シートとのプレス加工による接着を行うためには、圧力むらの防止、位置決め精度の確保など、難易度の高い課題を個別の形状ごとに調整して解決する必要がある。例えば、絶縁性を確保するための沿面距離をとりながら、絶縁樹脂接着シート上にプレス加工により部分的にリードフレームを接着させる場合、リードフレームの厚みを吸収しながらプレスを行う必要があるため、圧力むらによる歪みが生じやすく、非常に難易度が高い。また、プレス圧力により、沿面距離部分への樹脂の流れ出しが起こりやすいので、加圧部分にボイド等の欠陥が発生しやすく、絶縁耐圧が低下するおそれがある。
【０００７】
さらに、電力素子として使用する場合、絶縁樹脂接着シートとリードフレームとの接合面が長期にわたり高温にさらされる。そのため、リードフレームの材質である銅が高温で絶縁樹脂接着シート層中へ拡散し、該接着シート層が脆弱になり、接着力が低下することも懸念される。
【０００８】
以上のように、ＩＧＢＴモジュールの製造において、絶縁基板の材料として、セラミックスの代わりに絶縁樹脂接着シートを使用し、プレス加工による積層形成を行う場合には、多くの問題があり、現在も実用化に至っていない。
【０００９】
従って、本発明の目的は、絶縁基板の材料として絶縁樹脂接着シートを使用して、信頼性の高い半導体モジュールを簡易な手法で製造できる手法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の積層構造体は、半導体モジュールに用いる積層構造体であって、
半導体素子と、
前記半導体素子を支持するリードフレームと、
前記リードフレームに電気伝導可能かつ熱伝導可能に接合された金属箔層と、
前記金属箔層に接着した絶縁樹脂接着層と、
前記絶縁樹脂接着層に接着した、放熱部材への熱伝導を媒介する伝熱金属層と、
を備えている。
【００１１】
本発明の積層構造体は、前記リードフレームと金属箔層との接合部分に、金属接合層を備えていてもよい。
【００１２】
また、本発明の積層構造体は、前記金属箔層の前記絶縁樹脂接着層と当接する側の面、及び前記伝熱金属層の前記絶縁樹脂接着層と当接する側の面に、それぞれ表面処理層を有していてもよい。
【００１３】
また、本発明の積層構造体は、前記金属箔層と、前記絶縁樹脂接着層と、前記伝熱金属層と、が両面金属張積層体から加工されてなるものであってもよい。
【００１４】
また、本発明の積層構造体は、前記絶縁樹脂接着層が、エポキシ樹脂フィルムから形成されてなるものであってもよい。
【００１５】
また、本発明の積層構造体は、前記エポキシ樹脂フィルムが、熱伝導性フィラーを含有してなるものであってもよい。
【００１６】
また、本発明の積層構造体の製造方法は、半導体モジュールに用いる積層構造体の製造方法であって、
絶縁樹脂フィルムの表裏それぞれの面に、金属箔と伝熱金属層とが積層された両面金属張積層体を用意し、該両面金属張積層体の金属箔をエッチングにより部分的に除去する工程と、
エッチングによって除去された部分以外の残りの金属箔に、リードフレームとなる金属板を接合する工程と、
前記リードフレームとなる金属板の外側に、さらに半導体素子を接合する工程と、
を備えていてもよい。
【００１７】
本発明の積層構造体の製造方法は、前記接合する工程を、ハンダ付け又は金属系接着剤により行ってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の積層構造体及びその製造方法では、絶縁樹脂接着層の上下に金属箔層及び伝導金属層が接着した両面金属張積層体を用いることにより、他の部材との接合は、金属接合技術のみによって行うことができる。そのため、従来法でのプレス加工における技術課題を回避できるとともに、総工程数も削減できる。従って、本発明の積層構造体を組み込んだ半導体モジュールの信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施の形態にかかる積層構造体を備えたパワーモジュールの概略構成例を示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態にかかる積層構造体の概略構成例を示す断面図である。
【図３】積層構造体の製造工程の説明に供する両面金属張積層体の断面図である。
【図４】両面金属張積層体の製造過程を説明する図面である。
【図５】両面金属張積層体にエッチングをして片側の金属箔をパターン化した状態を説明する図面である。
【図６】エッチング後の両面金属張積層体を切断して個別の積層体に切り分けた状態を説明する図面である。
【図７】接合工程の一例を説明する図面である。
【図８】半導体素子を実装する工程を説明する図面である。
【図９】接合工程と実装工程とを同時に行う変形例を説明する図面である。
【図１０】第２の実施の形態にかかる積層構造体を備えたパワーモジュールの概略構成例を示す断面図である。
【図１１】第２の実施の形態にかかる積層構造体の概略構成例を示す断面図である。
【図１２】第３の実施の形態にかかる積層構造体を備えたパワーモジュールの概略構成例を示す断面図である。
【図１３】金属張積層板の評価における樹脂のフローについて説明する図面である。
【図１４】絶縁層と銅箔層（又は銅板層）の密着力の評価方法について説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１の実施の形態］
以下、図面を参照しながら、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる積層構造体を備えた半導体モジュールの概略構成例を示す断面図である。図１に示すように、パワーモジュール１００は、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、還流ダイオード（ＦＷＤ）などの半導体素子１を有する積層構造体３と、外部電極端子（図示せず）に接続された導電部材５ａ，５ｂと、導電部材５ａ，５ｂにそれぞれ接続する中継基板７ａ，７ｂと、隣接する半導体素子１どうし、及び半導体素子１と中継基板７ａ，７ｂとを接続するボンディングワイヤ９と、これらを収容するケース１１と、積層構造体３との間で熱交換を行う放熱部材としてのヒートシンク１３と、を備えている。また、ケース１１の内部には、例えばシリコーンゲル等の絶縁樹脂１５が必要な量で充填され、硬化させることにより封止されている。
【００２１】
なお、図１に例示したパワーモジュール１００では、本実施の形態の特徴的構成部分である積層構造体３以外の構成は、様々な変形が可能である。
【００２２】
＜積層構造体＞
次に、第１の実施の形態にかかる積層構造体３の構成について、図２を参照しながら、詳細に説明する。積層構造体３は、半導体素子１と、接合層１７を介して半導体素子１を支持するリードフレーム２１と、リードフレーム２１に接合層２３を介して電気伝導可能かつ熱伝導可能に接合された金属箔層２５と、この金属箔層２５に接着した絶縁樹脂接着層２７と、絶縁樹脂接着層２７に接着して、ヒートシンク１３への熱伝導を媒介する伝熱金属層としての金属板層２９と、を備えている。なお、図１では、金属板層２９は、ヒートシンク１３に面接触して設けられているが、金属板層２９とヒートシンク１３との間に、さらに熱伝導性の部材が介在していてもよい。図２における符号Ｌは、後述する沿面距離である。
【００２３】
図２に示す半導体素子１、リードフレーム２１、金属板層２９は、いずれも公知の構成である。リードフレーム２１、金属板層２９としては、例えば厚みが０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度の銅板、アルミニウム板などを用いることができる。
【００２４】
リードフレーム２１と金属箔層２５とは、例えばハンダ、金属系接着剤等によって接合されている。リードフレーム２１と金属箔層２５との間には、導電性及び熱伝導性を有する金属材料からなる接合層２３が設けられている。接合層２３の材質としては、例えばハンダ材料として、錫を主成分とする、銀、銅、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、インジウム又はビスマス等の合金が好適に使用できる。また、金属系接着剤としては、市販品を入手可能であり、例えばニホンハンダ株式会社製のＭＡＸ１０１（商品名）等が好適に使用できる。
【００２５】
絶縁樹脂接着層２７は、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ＢＴレジン、カルド樹脂（フルオレン樹脂）、ポリシロキサン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ビニル樹脂、フェノール樹脂などの絶縁性の樹脂材料によって形成することができる。また、絶縁樹脂接着層２７には、出来るだけ耐熱性の高い絶縁材料を用いることが好ましい。このような観点から、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ＢＴレジンを用いることが好ましい。
【００２６】
絶縁樹脂接着層２７の厚みは、必要な絶縁耐圧性能を確保しながら、熱伝導性を損なわない観点から、例えばポリイミド樹脂では、１０μｍ〜２００μｍが好ましく、１２μｍ〜１００μｍがより好ましく、１８μｍ〜７５μｍが更に好ましい。また、例えばエポキシ樹脂では、５０μｍ〜３００μｍが好ましく、８０μｍ〜２００μｍがより好ましい。
【００２７】
金属箔層２５としては、例えば、銅箔、アルミニウム箔、鉄箔、ニッケル箔、ベリリウム箔、亜鉛箔、インジウム箔、銀箔、金箔、スズ箔、ジルコニウム箔、ステンレス箔、タンタル箔、チタン箔、鉛箔、マグネシウム箔、マンガン箔及びこれらの合金箔が挙げられる。これらのなかでも、銅箔が好ましい。なお、ここでいう「銅箔」には、銅以外に、銅を主成分とする銅合金からなるものも含まれる。銅箔は、好ましくは銅含有率が９０質量％以上、特に好ましくは９５質量％以上である。銅箔には、例えばクロム、ジルコニウム、ニッケル、シリコン、亜鉛、ベリリウム等の金属を含有していてもよい。
【００２８】
金属箔層２５の厚みは、原料となる両面金属張積層体を形成する場合のプレス加工性を高めるため、例えば１２μｍ〜１５０μｍが好ましく、１２μｍ〜７０μｍがより好ましい。
【００２９】
金属箔層２５及び金属板層２９において、絶縁樹脂接着層２７と接している側の面には、接着力の向上を目的として、化学的な表面処理を施しておくことが好ましい。そのような表面処理としては、例えば防錆処理、ニッケルめっき処理、粗化エッチング、アルミニウムアルコラート、アルミニウムキレート、シランカップリング剤等による化学的処理を挙げることができる。この中でも、特に防錆処理を施しておくことが好ましい。防錆処理は、金属箔に例えば亜鉛めっき処理およびクロメート処理を順次施して防錆層を形成するものである（図４参照）。亜鉛めっき処理およびクロメート処理は、公知の方法で行うことができる。金属箔層２５及び金属板層２９に防錆処理を施しておくことにより、金属箔層２５又は金属板層２９から、例えばＣｕイオン等の金属イオンが絶縁樹脂接着層２７へ拡散することが防止される。従って、Ｃｕイオン等の金属イオンの拡散が原因で、絶縁樹脂接着層２７に脆弱層が形成されて劣化し、接着力が低下することを防止できる。以上のように、金属箔層２５及び金属板層２９に表面処理を行なっておくことにより、絶縁樹脂接着層２７の接着性が長期間に渡り維持される。従って、積層構造体３を、例えば図１のパワーモジュール１００に組み込んだ場合に、パワーモジュール１００の信頼性を高めることができる。このような観点から、金属箔層２５に使用する銅箔は、回路配線基板等の電子材料用途に適用される銅箔を使用することが望ましい。防錆処理を施した市販の銅箔としては、例えば日本電解株式会社製のＨＬ箔（商品名）、同ＵＳＬＰ箔（商品名）、古河電工株式会社製のＷＳ箔（商品名）、同ＧＴＳ箔（商品名）、三井金属鉱山株式会社製のＶＬＰ箔（商品名）、日鉱金属株式会社製のＨＡ箔（商品名）、同ＢＨＹＡ箔（商品名）等が挙げられ、これらは好適に利用できる。
【００３０】
図１に示すパワーモジュール１００では、絶縁樹脂接着層２７を境にして、半導体素子１側と、接地電位に置かれたヒートシンク１３側とが電気的に絶縁されている必要がある。このような観点から、積層構造体３においては、半導体素子１と金属板層２９の間に高い絶縁耐圧性を有する絶縁樹脂接着層２７を介在させている。また、半導体素子１が通電により発熱したまま放熱できないと故障の原因になるので、冷却を効率的に行う必要がある。そこで、絶縁性を確保する絶縁樹脂接着層２７として比較的熱抵抗が低い樹脂材料の薄膜を用いるとともに、金属板層２９を介してヒートシンク１３を接続し、半導体素子１を積極的に冷却するようにしている。
【００３１】
［積層構造体の製造方法］
図３〜図９を参照しながら、積層構造体３の製造方法について説明する。本実施の形態の積層構造体の製造方法は、例えば、両面金属張積層体を準備する工程、エッチング工程、接合工程及び実装工程を含むことができる。
【００３２】
＜両面金属張積層体＞
まず、図３に示すような両面金属張積層体４０を準備する。図４は、積層前の状態の一例を示している。両面金属張積層体４０は、樹脂フィルム２７Ａ、金属箔２５Ａ及び金属板２９Ａを含んでいる。樹脂フィルム２７Ａは、加工後に積層構造体３において上記絶縁樹脂接着層２７となるものであり、絶縁樹脂接着層２７と同様の材質で形成されている。金属箔２５Ａ及び金属板２９Ａは、加工後に積層構造体３において、それぞれ、上記金属箔層２５及び上記金属板層２９となるものであり、金属箔層２５及び金属板層２９とそれぞれ同様の材質で形成されている。金属箔２５Ａ及び金属板２９Ａの樹脂フィルム２７Ａに当接させる側の面には、図４に示すように、例えば防錆層などの表面処理層４１を形成しておくことが好ましい。
【００３３】
この両面金属張積層体４０は、例えば図４に示すように、樹脂フィルム２７Ａの両面に、それぞれ金属箔２５Ａと金属板２９Ａを配置して、これらを張り合わせることにとって製造できる。樹脂フィルム２７Ａと金属箔２５Ａ及び金属板２９Ａとのラミネートは、公知の方法により行うことが出来る。例えば、通常のハイドロプレス、真空タイプのハイドロプレス、オートクレーブ加圧式真空プレス等により行うことができる。これらの中でも、十分なプレス圧力が得られ、金属箔２５Ａ及び金属板２９Ａの酸化を防止できる、といった利点が得られる真空ハイドロプレスを用いることが好ましい。
【００３４】
樹脂フィルム２７Ａと金属箔２５Ａ及び金属板２９Ａとを張り合わせる際には、例えば、樹脂フィルム２７Ａ又はその接着面が、エポキシ樹脂で構成されている場合には、１２０〜２５０℃程度の範囲内の温度に加熱しながらプレスすることが好ましく、１４０〜２２０℃の範囲内がより好ましく、１４０〜２００℃の範囲内の温度がさらに好ましく、プレス圧力は５０〜１５０Ｋｇｆ／ｃｍ２程度が好ましい。
【００３５】
また、図示は省略するが、両面金属張積層体４０は、例えば、樹脂フィルム２７Ａと金属箔２５Ａ又は金属板２９Ａとを積層した２層積層体の樹脂フィルム２７Ａ側に、残りの金属箔２５Ａ又は金属板２９Ａのうちの片方を重ね合わせ、熱圧着することによって作製することもできる。さらに、両面金属張積層体４０は、樹脂フィルムと金属箔２５Ａとを積層した２層積層体と、樹脂フィルムと金属板２９Ａとを積層した２層積層体とを別々に準備し、金属箔２５Ａ及び金属板２９Ａが外側になるように、樹脂フィルムどうしを貼り合わせるようにして重ね合わせ、熱圧着することによって作製することもできる。この場合は、２層の樹脂フィルムが積層されて樹脂フィルム２７Ａとなる。以上のいずれの場合においても、熱圧着の方法は特に制限されず、上述と同様のラミネート方法、ラミネート条件を採用することが出来る。
【００３６】
次に、樹脂フィルム２７Ａがエポキシ樹脂フィルムである場合を例に挙げて両面金属張積層体４０のより具体的な構成例について説明する。エポキシ樹脂フィルムを適用する利点としては、例えば比較的低温での熱プレスによる接着が可能であることや、比較的低温での熱プレスによるものなので接着加工時の寸法安定性を維持しやすいことなどが挙げられる。
【００３７】
エポキシ樹脂フィルムは、（ａ）成分のエポキシ系接着剤樹脂原料を含有する、接着剤樹脂組成物（以下、「樹脂組成物」と略称することがあるが、（ａ）成分のエポキシ系接着剤樹脂原料とは区別する。）から形成される。ここで、（ａ）成分は、（イ）エポキシ樹脂、及び（ロ）硬化促進剤を必須成分として含有する。また、絶縁樹脂接着層２７とした場合の熱伝導性及び耐電圧特性を向上させるという観点から、樹脂組成物には、上記（ａ）成分とともに、（ｂ）成分の熱伝導性フィラーを含有することが好ましい。
【００３８】
（イ）成分のエポキシ樹脂は、エポキシ樹脂フィルムとして十分な絶縁性、密着性、耐熱性、機械的強度、加工性等を備えるための有効な成分である。この（イ）成分としては、公知のエポキシ樹脂が特に制限なく使用できるが、例えば、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ビスフェノールＳ型、テトラメチルビスフェノールＡ型等のビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型等のノボラック型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタントリグリシジルエーテル等のような芳香族エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フルオレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは単独又は２種以上混合して使用することができる。
【００３９】
（ロ）成分の硬化促進剤は、エポキシ樹脂に十分な硬化速度、耐熱性、機械的強度等を与えるための有効な成分である。この（ロ）成分の硬化促進剤としては、例えば、トリフェニルホスフィン等の有機リン系化合物や、２−フェニルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、３級アミン、ルイス酸等を用いることができる。その配合率は、求められる硬化時間に応じて適宜選定されるが、一般的には、（ａ）成分のエポキシ系接着樹脂原料の不揮発成分１００重量部に対し、例えば０．０１〜１５．０重量部の範囲内で使用することが好ましい。
【００４０】
（ａ）成分のエポキシ系接着剤樹脂原料として、上記の必須成分（イ）及び（ロ）成分の他に、必要に応じて、（ハ）硬化剤を含有してもよい。硬化剤は、エポキシ樹脂フィルムが十分な絶縁性、密着性、耐熱性、機械的強度等を備えるために有効な成分である。この（ハ）成分は、（イ）成分のエポキシ樹脂の硬化剤として知られているものが適用でき、その１つとしてフェノール樹脂が挙げられる。このフェノール樹脂として、具体的には、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＳ、ナフタレンジオール等の２価のフェノール類、フェノールノボラック、ｏ-クレゾールノボラック、トリフェニルメタン型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、フェノールフェニルアラルキル型樹脂、フェノールビフェニルアラルキル型樹脂、ナフトールフェニルアラルキル型樹脂、ナフトールビフェニルアラルキル型樹脂等の３価以上のフェノール類、ビスフェノールＡ等の２価のフェノール類とホルムアルデヒド等のアルデヒド類との縮合により得られる多価ヒドロキシ性化合物、フェノール類とトリアジン環含有化合物とアルデヒド類とから得られるトリアジン構造含有フェノールノボラック樹脂等を例示することができる。その他にも、（ハ）成分として、ジアミノジフェニルスルホン、ジアミノジフェニルメタン等の芳香族アミン系硬化剤、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等の脂肪族アミン系硬化剤、あるいは塩基性活性水素化合物であるジシアンジアミド、イミダゾール類等を例示することができる。
【００４１】
（イ）成分のエポキシ樹脂と（ハ）成分の硬化剤の好ましい割合については、硬化剤がフェノール樹脂、芳香族アミン系硬化剤、又は脂肪族アミン系硬化剤の場合は、エポキシ樹脂／硬化剤の当量比が０．７〜１．３であり、より好ましくは０．８〜１．２である。また、（ハ）成分として、イミダゾール類を使用する場合、これは（ロ）成分の硬化促進剤でもあるので、（ロ）成分としても計算される。（ハ）成分の使用量は、（イ）成分のエポキシ樹脂に対し当量比（（ハ）／（イ））が０．５〜１．５となるように配合することが好ましい。一般に、フェノール樹脂系硬化剤を用いる場合は、上記当量比（（ハ）／（イ））が０．８〜１．２、アミン系硬化剤を用いる場合は、上記当量比（（ハ）／（イ））が０．５〜１．０となるようにすることが好ましい。
【００４２】
樹脂組成物に含有してもよい（ｂ）成分の熱伝導性フィラーとしては、例えば窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、マグネシア（酸化アルミニウム）、アルミナ（酸化アルミニウム）、結晶性シリカ（酸化ケイ素）、溶融シリカ（酸化ケイ素）等の絶縁性の無機フィラーが挙げられる。これらの熱伝導性フィラーは、エポキシ樹脂フィルムの熱伝導率を向上させるために、エポキシ樹脂フィルムに対する体積充填率が５０％以上となるように配合することが一般的である。
【００４３】
上記の熱伝導性フィラーがアルミナ粉末である場合を例に挙げてより具体的な構成例について説明する。アルミナ粉末の利点としては、熱伝導性フィラーの中でも、比較的安価であることや、幅広い粒子サイズのものでも市販品で対応できることなどが挙げられる。
【００４４】
（ｂ）成分の熱伝導性フィラーとしてアルミナ粉末を含有する場合、樹脂組成物の不揮発成分当たりのアルミナ粉末の含有率が好ましくは４０〜９５重量％、より好ましくは６０〜９３重量％がよい。樹脂組成物中のアルミナ粉末の含有率が多くなるほど高熱伝導化、低熱膨張化の観点から望ましく、樹脂組成物の不揮発成分におけるアルミナ粉末の含有率が４０重量％より少ないと高熱伝導化が十分ではなく、十分な放熱性が発現しないのに加えて、低熱膨張化も十分でないため、半田耐熱性の低下を招く。反対に９５重量％より多くなると、ワニスとした場合の粘度が増大し、または樹脂組成物を乾燥して得られる乾燥物又はフィルム状接着剤（以下、Ｂステージ状態組成物ともいう）としての溶融粘度が増大して、絶縁樹脂接着層２７としての加工性、耐電圧特性、接着性が低下したり、表面状態が悪くなったりする。
【００４５】
ここで、樹脂組成物の不揮発成分とは、例えば樹脂組成物が所定の溶剤を含むワニスの場合、このワニスを用いて絶縁樹脂接着層２７を形成する際、乾燥や硬化によって溶剤が除去された後に最終的に残る不揮発成分を意味する。すなわち、ここでのアルミナ粉末の含有率とは、この不揮発成分当たりに含まれるアルミナ粉末の重量％を表すものである。尚、樹脂組成物には必須成分である（イ）及び（ロ）成分、並びに（ｂ）成分のほか、（ハ）成分及び、以下で説明するように、必要に応じてその他の成分が添加される場合もあるが、その場合には別途添加された成分についても含めて考えるものとする。樹脂組成物の不揮発成分とは、ワニスの場合も包括して規定するための表記である。ワニスとは、樹脂組成物の粘度を低減することにより、加工性を向上させることを目的として溶剤を含んでいるものである。しかし最終的に絶縁樹脂接着層２７を形成した際には、溶剤は乾燥、硬化により、除去されている。樹脂組成物中での成分の含有率は、溶剤が除去され、最終的に絶縁樹脂接着層２７を形成した段階で発明の効果を発揮する。したがって、樹脂組成物の不揮発成分に対する成分含有率を用いて規定した。
【００４６】
また、このアルミナ粉末の最大粒子径は、好ましくは１２０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下がよい。最大粒子径が１２０μｍより大きくなると絶縁樹脂接着層２７としての加工性が十分ではなく、絶縁樹脂接着層２７の表面状態が悪くなったりする傾向になる。ここで最大粒子径とは、アルミナ粒子の全体積を１００％としたとき、粒子径の体積分率の分布カーブにおいて、ある粒子径以上で粒子の分布確率が全て０となるときの粒子径の最小値を示す。
【００４７】
更に、上記アルミナ粉末については、全アルミナ粉末中の好ましくは９０重量％以上、より好ましくは９５重量％以上が結晶性の球状アルミナがよい。アルミナ粉末の種類としては結晶アルミナ、溶融アルミナ等が挙げられ、アルミナ粉末の形状としては球状または破砕状が挙げられるが、中でも最密充填による高熱伝導性の観点からは、結晶性の球状アルミナが最も適する。アルミナ粉末における結晶性の球状アルミナの含有率が９０重量％より少ないと、ワニスとした場合の粘度、またはフィルム状接着剤としての溶融粘度が増大して、絶縁樹脂接着層２７としての加工性、耐電圧特性、接着性が低下したり、表面状態が悪くなったりする傾向になる。ここで、結晶性のアルミナを用いることにより、溶融アルミナと比較して熱伝導率を高くする効果が得られる。また、球状アルミナを用いることによって、破砕アルミナと比較して、ワニスとした場合の粘度、またはフィルム状接着剤としての溶融粘度を低くする効果が得られる。
【００４８】
樹脂組成物は、所定の溶剤、例えばＮ，Ｎ-ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ-ジメチルアセトアミド、Ｎ-メチル-２-ピロリドン（ＮＭＰ）等のアミド系溶剤、１−メトキシ−２−プロパノ−ル等のエーテル系溶剤、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン等のケトン系溶剤、トルエン、キシレン等の芳香族系溶剤等の１種又は２種以上を混合したものに溶解又は分散させてワニスを形成するようにしてもよい。（ロ）硬化促進剤、（ハ）硬化剤、（ｂ）成分としてのアルミナ粉末、その他必要により添加される添加剤のうちで無機充填剤、有機充填剤、着色剤等については、溶剤中に均一分散していれば、必ずしも溶剤に溶解していなくてもよい。
【００４９】
また、このワニスを支持材としてのベースフィルム上に塗布し、乾燥させることでフィルム状接着剤を形成してもよく、あるいはこのワニスを銅箔上又は銅板上に塗布し、乾燥させることによってフィルム状接着剤付き銅箔又は銅板を形成してもよい。ここで、硬化前のフィルム状接着剤、又は硬化前のフィルム状接着剤付き銅箔若しくは銅板のフィルム支持性については、溶剤残存率が高いほどフィルム支持性が良好な傾向にあるが、溶剤残存率が高すぎると、硬化前のフィルム状接着剤、又は硬化前のフィルム状接着剤付き銅箔若しくは銅板にタックが発生したり、硬化時に発泡が発生したりする。したがって、溶剤残存率は５重量％以下が好ましい。なお、ここでの溶剤残存率は、１８０℃雰囲気にて６０分乾燥した際の、フィルム状接着剤部分の正味重量減少率の測定により求めた値である。また、上記フィルム状接着剤及びフィルム状接着剤付き銅箔若しくは銅板については、溶剤を含まない樹脂組成物を支持材としてのベースフィルム上に加熱溶融状態で塗布した後、冷却するようにして得てもよい。
【００５０】
フィルム状接着剤又はフィルム状接着剤付き銅箔若しくは銅板を形成する際に用いる支持材としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン、銅箔、アルミ箔、離型紙等を挙げることができる。この支持材の厚みについては１０〜１００μｍとするのが一般的である。また、支持材として、銅、アルミ等の金属箔若しくは金属板を用いることもでき、これらの製造方法は電解法のものでも圧延法のものであってもよい。
【００５１】
また、フィルム状接着剤又はフィルム状接着剤付き銅箔は、支持材としてのベースフィルム上に貼り合わされた後、貼り合わされていないもう一方の面を、保護材としてのフィルムで覆い、ロール状に巻き取って保存することもできる。この際に用いられる保護材としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、離型紙等が挙げられ、この保護材の厚みについては１０〜１００μｍとするのが一般的である。
【００５２】
樹脂組成物は、必須成分である（イ）及び（ロ）成分及び任意成分である（ハ）及び（ｂ）成分のほかに、フィルム状接着剤又はフィルム状接着剤付き銅箔若しくは銅板とした際の可とう性向上の観点から、必要に応じて、ビスフェノ−ル型フェノキシ樹脂を添加することができる。具体的には、ビスフェノールＡ型フェノキシ樹脂、ビスフェノールＦ型フェノキシ樹脂、ビフェニル型フェノキシ樹脂、フルオレン型フェノキシ樹脂、臭素化ビスフェノールＡ型フェノキシ樹脂、臭素化ビスフェノールＦ型フェノキシ樹脂等が挙げられる。使用するビスフェノ−ル型フェノキシ樹脂の重量平均分子量は１０,０００〜２００,０００、好ましくは２０,０００〜１００,０００であるのがよい。重量平均分子量が１０,０００より小さいと、樹脂組成物としての耐熱性、機械的強度、可とう性の低下を招くことがあり、２００,０００より大きいと有機溶剤への溶解性、エポキシ樹脂、硬化剤との相溶性等の作業性の低下を招くことがあり、加えて、ワニスとしての粘度、またはフィルム状接着剤としての溶融粘度が増大して、絶縁樹脂接着層２７としての加工性や接着性が低下したり、表面状態が悪くなったりすることがある。尚、ここでの重量平均分子量は、ＧＰＣ（ゲルパーミエーションクロマトグラフィ）測定によるポリスチレン換算の値である。
【００５３】
このビスフェノ−ル型フェノキシ樹脂の含有率については、樹脂組成物の不揮発成分当たり好ましくは６０重量％以下、より好ましくは３０重量％以下であるのがよい。６０重量％より多くなると有機溶剤への溶解性が低下したり、（イ）エポキシ樹脂や（ハ）硬化剤との相溶性等の作業性の低下を招くのに加えて、ワニスとしての粘度やフィルム状接着剤としての溶融粘度が増大して、絶縁樹脂接着層２７としての加工性、接着性が低下したり、表面状態が悪くなったりする。場合によっては耐熱性の低下を招く傾向になる。
【００５４】
また、樹脂組成物には、フィルム状接着剤又はフィルム状接着剤付き銅箔若しくは銅板とした際のフィルム支持性向上や絶縁樹脂接着層２７としての低弾性化等の観点から、必要に応じて、ゴム成分を添加することができる。このようなゴム成分としては、例えばポリブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、変性アクリロニトリル−ブタジエンゴム、アクリルゴム等が挙げられる。使用するゴムの重量平均分子量については、例えば１０,０００〜１，０００,０００、好ましくは２０,０００〜５００,０００であるのがよい。重量平均分子量が１０,０００より小さいと樹脂組成物として、耐熱性、機械的強度、可とう性の低下を招くのに加えて、硬化前段階でのフィルム支持性の低下を招くことがある。重量平均分子量が１，０００,０００より大きいと有機溶剤への溶解性、エポキシ樹脂、硬化剤との相溶性等の作業性の低下を招くことがあるのに加えて、ワニスとしての粘度、またはフィルム状接着剤としての溶融粘度が増大して、絶縁樹脂接着層２７としての加工性、接着性が低下したり、表面状態が悪くなったりする場合がある。なお、ここでの重量平均分子量は、ＧＰＣ測定によるポリスチレン換算の値である。これらのゴムは１種又は２種以上を用いることができる。また、ゴム成分として用いるゴムの純度については、耐電圧特性、耐湿信頼性向上の観点から、イオン性不純物の少ないものがよい。
【００５５】
また、樹脂組成物には、ボイド低減や平滑性向上等の観点から、必要に応じて、フッ素系、シリコーン系等の消泡剤、レベリング剤等を添加することができる。また、金属箔層２５及び金属板層２９等の部材との密着性向上の観点から、樹脂組成物にシランカップリング剤、熱可塑性オリゴマー等の密着性付与剤を添加することができる。
【００５６】
更には、樹脂組成物には、（ｂ）成分としてのアルミナ粉末以外の充填剤として、必要に応じて、アルミナ以外の無機充填剤、有機充填剤を添加してもよい。この場合の無機充填剤としては、例えばシリカ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等を例に挙げることができ、また、有機充填剤としては、例えばシリコンパウダー、ナイロンパウダー、アクリロニトリル-ブタジエン系架橋ゴム等を例に挙げることができる。これらの充填剤についてはその１種又は２種以上を用いることができる。
【００５７】
更にまた、樹脂組成物には、必要に応じて、フタロシアニン・グリーン、フタロシアニン・ブルー、カーボンブラック等の着色剤を配合することができる。
【００５８】
＜エッチング工程＞
次に、図５に示すように、両面金属張積層体４０の金属箔２５Ａを、エッチングによって所定のパターンに加工する。すなわち、両面金属張積層体４０の金属箔２５Ａをエッチングにより部分的に除去し、複数のパターン化金属箔２５Ｂを形成する。エッチングは、フォトリソグラフィー技術を利用して実施できる。例えば、まず、両面金属張積層体の金属箔２５Ａに所定のレジストパターンを形成する。次に、塩化第二鉄又は塩化第二銅を主成分とする水溶液等のエッチング液を用いて露出した部分の金属箔２５Ａをエッチングし、その後レジストを剥離すればよい。
【００５９】
エッチングは、積層構造体３に加工した場合に金属箔層２５となるパターン化金属箔２５Ｂの外側に、樹脂フィルム２７Ａが露出するように行う。樹脂フィルム２７Ａの露出部分は、次の工程で樹脂フィルム２７Ａと金属箔２９Ａを切断する際の切断部位となる。
【００６０】
＜切断工程＞
次に、図６に示すように、エッチングによって片側の金属箔２５Ａが除去された領域内で、積層された樹脂フィルム２７Ａと金属板２９Ａを切断し、少なくとも一つのパターン化金属箔２５Ｂを含む複数の積層体５０に分割する。切断の方法は、特に制限はなく、例えばプレス打ち抜き、回転ソー、ウォータージェット等を用いて行うことができる。
【００６１】
このようにして、小片樹脂フィルム２７Ｂと、この小片樹脂フィルム２７Ｂの片側の面に張り合わされた小片金属板２９Ｂと、もう一方の面に張り合わされたパターン化金属箔２５Ｂと、を備えた複数の積層体５０が形成される。なお、一つの小片樹脂フィルム２７Ｂ上には、分離した２つ以上のパターン化金属箔２５Ｂが形成されていてもよい。
【００６２】
また、積層構造体３をパワーモジュールに組み込んだ場合に、絶縁樹脂接着層２７が十分な絶縁性能と耐圧性能を確保できるようにするために、切り出された積層体５０において、パターン化金属箔２５Ｂの端部と、小片樹脂フィルム２７Ｂの端部との間の距離（沿面距離）Ｌを十分に確保することが必要である。沿面距離Ｌは、パワーモジュールの種類や大きさ、半導体素子１と金属板層２９との間の電圧などに応じて決定することができるが、例えば１ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることが好ましく、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることがより好ましい。このように、本実施の形態では、金属箔２５Ａのエッチングと、樹脂フィルム２７Ａの切断によって、十分な絶縁性能を確保するための沿面距離Ｌを自由に調節できる。また、エッチングや切断は、高精度なフォトリソグラフィー技術と切断技術により可能であるため、プレス加工での位置決めにより沿面距離Ｌの精度が左右されていた従来方法に比べて、沿面距離Ｌをより高精度に規定できる。
【００６３】
＜接合工程＞
ここからの工程では、一つの積層体５０を例に挙げて説明する。接合工程では、例えば図７に示すように、まず積層体５０を形成した後、金属板２１Ａを接合することができる。接合方法はハンダ付け、金属系接着剤等による金属接合技術によって実施できる。
【００６４】
積層体５０と、金属板２１Ａを接合する工程では、図７に示すように、対向する接合面のどちらかにハンダペースト２３Ａを塗布し、加熱して張り合わせる。この場合、ハンダ材料としては、例えば、ニホンハンダ株式会社製のＰＦ３０５（商品名）（融点；２２０℃）、同ＦＮＳ（商品名）（融点；２１９℃）、同Ｏ３（商品名）（融点；２２１℃）、同２４（商品名）（融点；２４０℃）、タムラ化研株式会社製のＴＦＬ−２０４−ＳＩＳ（商品名）（融点；２２０℃）、同ＴＦＬ−２０４−１５１（商品名）（融点；２２０℃）、同ＴＦＬ−２０４−ＭＤＳ（商品名）（融点；２１３℃）、同ＴＦＬ−８０１−１７（商品名）（融点；１９５〜２０９℃）、同ＴＦＬ−４０１−１１（商品名）（融点；１３９℃）、株式会社日本スペリア製のＳＮ１００Ｃ  Ｐ８００（商品名）（融点；２２７℃）、同ＳＮ１００ＣＬ（商品名）（融点；２２７℃）、株式会社日本スペリア社製のＢ１５７（商品名）（融点；１３９℃）、同ＳＮ８８（商品名）（融点；１９８〜２１０℃）等を用いることができる。
【００６５】
以上のようにして、リードフレーム２１と、接合層２３と、金属箔層２５と、絶縁樹脂接着層２７と、金属板層２９が、上からこの順に積層された積層体６０が形成される（図８参照）。
【００６６】
＜実装工程＞
次に、図８に示すように、積層体６０の最上部のリードフレーム２１の上に、例えばＩＧＢＴ素子やＦＷＤ素子などの半導体素子１を接合する。接合方法は、ハンダ付け、金属系接着剤等による金属接合技術によって実施できる。図８では、ハンダペースト１７Ａを半導体素子１に塗布して、リードフレーム２１に接合する方法を示している。なお、半導体素子１への配線の接続は常法によって行うことができるので、ここでは説明を省略する。
【００６７】
以上のようにして、図２に示すように、半導体素子１、接合層１７、リードフレーム２１、接合層２３、金属箔層２５、絶縁樹脂接着層２７、金属板層２９が、上からこの順に積層された積層構造体３を製造することができる。以後は、常法に従い、ヒートシンク１３と接合し、モジュール化することによって、例えばパワーモジュール１００を製造することができる。
【００６８】
＜変形例＞
以上の工程において、積層体６０を作成せず、半導体素子１と、金属板２１Ａと、積層体５０とを同時に接合することも可能である。すなわち、上記接合工程と実装工程とを同時に行うことができる。例えば、図９に示したように、半導体素子１、金属板２１Ａ及び積層体５０を、対向する接合面のいずれかにハンダペースト１７Ａ、２３Ａを塗布した後、位置合わせして配置し、これら３つのパーツを同時に接合してもよい。
【００６９】
さらに、図７の状態で、金属板２１Ａと半導体素子１が接合したものを用いることにより、上記実装工程と接合工程を同時に実施することも可能である。すなわち、図７において、金属板２１Ａに接合層１７を介して半導体素子１が接合されていてもよい。
【００７０】
以上述べたように、本実施の形態の積層構造体の製造方法では、両面金属張積層体４０を用いることにより、絶縁樹脂接着層２７とその上下の金属板とのプレス加工による接着を省略できる。つまり、両面金属張積層体４０を用いれば、積層構造体３における他の部材と積層は、金属接合技術のみによって行うことができる。そのため、従来法でのプレス加工の技術課題を回避できるだけでなく、総工数削減も可能となる。
【００７１】
両面金属張積層体４０の製造は、既に技術的に確立されているプリント基板等の電子材料用途の両面金属張積層体の製造と同じプロセスで実施が可能であり、例えばプレス加工やキャスト法など種々の方法で容易に行うことができる。この工程をプレス加工で行う場合でも、図４に示すように、薄い樹脂フィルム２７Ａと金属箔２５Ａ及び金属板２９Ａとの積層プレスとなるため、リードフレーム等の金属板の形状とは無関係に一定の条件で実施できる上、大面積でのプレスであるため、均一な接着が可能であり、圧力むらが生じにくい。また、リードフレーム等の金属板に対して個別にプレス加工を行う従来法に比べて工数も削減できる。
【００７２】
また、絶縁樹脂接着層２７における沿面距離Ｌの確保は、両面金属張積層体４０のエッチングによる金属箔２５Ａの部分的な除去により行うことができるので、難易度の高いプレス加工による位置ずれなどの問題は起こりえない。すなわち、従来法で個別に条件出しが必要であったプレス工程での沿面距離Ｌの調整は不要になる。しかも、エッチング工程では、フォトリソグラフィー技術を利用できるため、沿面距離Ｌの精度の確保も容易である。
【００７３】
また、エッチング後の積層体５０と、リードフレーム２１となる金属板２１Ａとの接合も、小片樹脂フィルム２７Ｂにパターン化金属箔２５Ｂが存在しているため、例えばハンダ付け、金属系接着剤等による慣用の金属接合技術により、容易に行うことが出来る。
【００７４】
以上の優れた特長により、積層構造体３を組み込んだ半導体モジュールの信頼性を高めることができる。
【００７５】
［第２の実施の形態］
次に、図１０及び図１１を参照しながら、第２の実施の形態にかかる積層構造体とパワーモジュールの構成例について説明する。なお、図１０及び図１１において、第１の実施の形態（図１及び図２）と同じ構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７６】
図１０は、異なる半導体素子が実装されている積層構造体３Ａ，３Ｂを備えたパワーモジュール１０１を示している。例えば、積層構造体３ＡにはＩＧＢＴ素子１Ａが実装されており、積層構造体３ＢにはＦＷＤ素子１Ｂが実装されている。積層構造体３Ａ，３Ｂは、それぞれ基本的に図１に例示したものと同様の構成と機能を有しているが、図１１に拡大して示したように、二つの積層構造体３Ａ，３Ｂにおいて、絶縁樹脂接着層２７、金属板層２９が共通化されている。換言すれば、リードフレーム２１、接合層２３、金属箔層２５は、ＩＧＢＴ素子１Ａ側とＦＷＤ素子１Ｂ側で異なる電気的制御を受ける部分であるため、別々に分離させているが、絶縁樹脂接着層２７より下層は、熱伝導機能が確保できればよいので共有されている。
【００７７】
このような構造の積層構造体３Ａ，３Ｂは、エッチング工程でのパターン設計で十分な沿面距離Ｌが確保できるようにするとともに、切断工程で切り出される積層体５０がそれぞれ２つのパターン化金属箔２５Ｂを含むように切断する点以外は、第１の実施の形態と同様に製造することができる（図６参照）。積層構造体３Ａ，３Ｂでは、最終的に一枚の小片樹脂フィルム２７Ｂの上に、２つの半導体素子（ＩＧＢＴ素子１Ａ、ＦＷＤ素子１Ｂ）を実装しているが、リードフレーム２１の積層に、プレス加工は必要とせず、ハンダ付けや金属系接着剤等により容易に接合を行なうことができるため、従来法のような問題は生じない。すなわち、図１１のような構造を、金属板（リードフレーム２１）をプレス加工により絶縁樹脂接着層２７に圧着させることによって製造することは非常に難易度が高いが、両面金属張積層体４０を用いることによって容易に製造できる。なお、共通化された絶縁樹脂接着層２７の上には、２つに限らず、３つ以上の半導体素子でも制約なく簡単に実装できる。このように、絶縁樹脂接着層２７を共有化して複数の半導体素子を容易に実装できることも、両面金属張積層体４０を用いることの大きなメリットである。
【００７８】
本実施の形態にかかるパワーモジュール１０１及び積層構造体３Ａ及び３Ｂの他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００７９】
［第３の実施の形態］
次に、図１２を参照しながら、本発明の第３の実施の形態にかかる積層構造体を備えたパワーモジュールについて説明する。図１２に示すように、パワーモジュール１０２は、２つの半導体素子として、ＩＧＢＴ素子１ＡとＦＷＤ素子１Ｂを備えている。ＩＧＢＴ素子１Ａは、接合層１７を介して２つの積層体６０Ａ，６０Ｃに上下から挟持されるように実装されている。ＦＷＤ素子１Ｂは、接合層１７を介して２つの積層体６０Ｂ，６０Ｄに上下から挟持されるように実装されている。
【００８０】
積層体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄの構成は、第１の実施の形態の図８に示したものと同様であるが、積層体６０Ａと６０Ｂ、積層体６０Ｃと６０Ｄにおいて、それぞれ伝熱金属層としての金属板層２９Ｃ，２９Ｄが共通化されている。金属板層２９Ｃ，２９Ｄは、第１及び第２の実施の形態よりも大型に形成されており、互いに対向するように配置されている。金属板層２９Ｃ，２９Ｄは、図示しない放熱部材としてのヒートシンクへの熱伝導を媒介するように構成されている。なお、積層体６０Ａと６０Ｂ、積層体６０Ｃと６０Ｄのそれぞれに、個別に金属板層２９を設けることもできる。
【００８１】
４つの積層体６０Ａ〜６０Ｄの製造方法は、第１の実施の形態と同様である。そして、最終的にＩＧＢＴ素子１Ａを介して２つの積層体６０Ａ，６０Ｃを、また、ＦＷＤ素子１Ｂを介して２つの積層体６０Ｂ，６０Ｄを、上下が逆になるように配置して接合することによって図１２に示すような上下対称な構造にすることができる。
【００８２】
パワーモジュール１０２では、ＩＧＢＴ素子１Ａ、ＦＷＤ素子１Ｂを間に挟むように、積層体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄを配置し、共通化された大型の金属板層２９Ｃ，２９Ｄをモールド樹脂７１によって封止することにより、モジュール化されている。このような両面冷却構造のパワーモジュール１０２は、ＩＧＢＴ素子１ＡとＦＷＤ素子１Ｂの上下に設けられた放熱構造によって、素子の冷却効率に優れており、パワーモジュールとしての動作信頼性をさらに向上させることができる。
【００８３】
本実施の形態にかかるパワーモジュール１０２の他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
【実施例】
【００８４】
次に、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。なお、以下の実施例において、特にことわりのない限り各種測定、評価は下記によるものである。
【００８５】
［熱伝導率］
所定量のフィルム状接着剤を用いて、圧縮プレス成形機にて１８０℃で１０分加熱し、プレスから取り出した後、さらに乾燥機中にて１８０℃で５０分加熱することにより、直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤状試験片を得た。この試験片を、英弘精機製ＨＣ−１１０を用いて、定常法により熱伝導率を測定した。
【００８６】
作製例１〜作製例５
エポキシ接着剤フィルム作製のために、樹脂組成物を得るために使用した原料と略号は以下の通りである。
【００８７】
（Ａ）エポキシ樹脂
エポキシ樹脂（１）：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（東都化成株式会社製、商品名；ＹＤ１２８、エポキシ当量１８９、液状）
【００８８】
エポキシ樹脂（２）：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（東都化成株式会社製、商品名；ＹＦ−１７０、エポキシ当量１７０、液状）
【００８９】
エポキシ樹脂（３）：ｏ‐クレゾールノボラックエポキシ樹脂（日本化薬株式会社製、商品名；ＥＯＣＮ−１０２０−５５、エポキシ当量２００、軟化点５５℃）
【００９０】
（Ｂ）硬化剤
硬化剤（１）：ジシアンアミド（活性水素当量２１）
【００９１】
硬化剤（２）：フェノールノボラック（群栄化学工業株式会社製、ＰＳＭ−４２６１、フェノール性水酸基当量１０５、軟化点８０℃）
【００９２】
（Ｃ）硬化促進剤
硬化促進剤（１）：２−エチル−４−イミダゾール
【００９３】
（Ｄ）フェノキシ樹脂
フェノキシ樹脂（１）：ビスフェノールＡ型フェノキシ樹脂（東都化成株式会社製、ＹＰ−５０）
【００９４】
フェノキシ樹脂（２）：ビスフェノールＡＦ型フェノキシ樹脂（東都化成株式会社製、ＹＰ−７０）
【００９５】
フェノキシ樹脂（３）：ビスフェノールＳ型フェノキシ樹脂（東都化成株式会社製、ＹＰＳ−００７）
【００９６】
（Ｅ）アルミナ粉末
表１に示すアルミナ粉末（１）〜（３）を用いた。なお、表中の各項目については、以下に説明する通りにそれぞれ求めた。
【００９７】
【表１】
2011216619.tif 000003
【００９８】
［アルミナ粉末の粒子径分布パラメータ］
測定対象のアルミナ粉末を、分散媒である０．２ｗｔ％ヘキサメタりん酸ナトリウム溶液に試料濃度が０．０４ｗｔ％になるように計量して混合し、超音波ホモジナイザーを用いて３分間分散させた。このアルミナ分散液を、粒度分布測定装置マイクロトラックＭＴ３３００ＥＸ(日機装株式会社製)を用いて、波長７８０ｎｍの半導体レーザの照射により得られた散乱光から粒子径分布を測定した。
【００９９】
最大粒子径は、前記測定法により得られた粒子径分布において、粒子の全体積を１００％としたとき、粒子径の体積分率の分布カーブにおいて、ある粒子径以上で粒子の分布確率が全て０となるときの粒子径の最小値を示す。
【０１００】
平均粒子径Ｄ50は、前記測定法により得られた粒子径分布において、粒子の全体積を１００％としたとき、粒子径の体積分率の累積カーブにおいて５０％累積となるときの粒子径を示す。
【０１０１】
上記で示した原料を用いて、表２に示す割合で配合した。まず、フェノキシ樹脂のみを、攪拌装置付きの容器中にて、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）に攪拌、溶解した。次に、この溶液に、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を配合し、攪拌、溶解した。その後、ワニス中にアルミナ粉末を配合し、攪拌、分散させ、樹脂組成物ワニスを作製した。この樹脂組成物ワニスを、厚さ５０μｍの離型処理ＰＥＴフィルム（三菱化学株式会社製、商品名；ＭＲ−５０）に、乾燥後の樹脂層の厚さが１５０μｍになるように塗布し、１１０℃で５分乾燥させた後、離型処理ＰＥＴフィルムから剥離することにより、フィルム状接着シート（Ｂステージ状態のエポキシ樹脂フィルム）１〜５を作製した。なお、表２中の配合量の数値は、重量部を示す。
【０１０２】
【表２】
2011216619.tif 000004
【０１０３】
［実施例１］
エポキシ高熱伝導樹脂接着シート（新日鐵化学株式会社製、商品名；ＮＥＸ１６０、樹脂組成物の固形分当たりのアルミナ含有率９３重量％、厚み１２０μｍ、熱伝導率６Ｗ／ｍｋ）を１５０ｍｍ×１５０ｍｍに切断し、支持基材から剥離して、Ｂステージ状態のエポキシ樹脂フィルムを準備した。このフィルムを１５０ｍｍ×１５０ｍｍに切断した銅箔１（古河電気工業株式会社製、商品名；Ｆ２ＷＳ−１８、厚さ１８μｍ、フィルムと接する面の表面粗度Ｒｚ＝３．０）及び銅板１（厚さ；１ｍｍ、フィルムと接する面を防錆処理）で挟み、大気下、温度１８０℃、圧力４ＭＰａ、時間１０分間の条件で熱圧着後、１８０℃、６０分間の熱オーブンによる加熱硬化を行い、銅箔層２０１ａ、絶縁層２０１ｂ、及び銅板層２０１ｃから構成される積層板２０１を作製した。
【０１０４】
次に、積層板にエッチング加工を施し、銅箔層２０１ａ’（縦×横×厚さ＝５０ｍｍ×５０ｍｍ×１８μｍ）を形成した。この銅箔層２０１ａ’より縦横がそれぞれ５ｍｍずつ大きくなるよう絶縁層２０１ｂ’と銅板層２０１ｃ’を切断し、銅箔層２０１ａ’（縦×横×厚さ＝５０ｍｍ×５０ｍｍ×１８μｍ）、絶縁層２０１ｂ’（縦×横×厚さ＝６０ｍｍ×６０ｍｍ×１２０μｍ）、及び銅板層２０１ｃ’（縦×横×厚さ＝６０ｍｍ×６０ｍｍ×１８μｍ）から構成される積層板２０１’を作製した。作製した積層板２０１’の銅箔層２０１ａ’の表面にハンダペースト（タムラ化研株式会社製、商品名；ソルダーペーストＬＦＳＯＬＤＥＲ  ＴＬＦ−２０４−１５１）を全面に塗布した後、銅板２０１ａ’’（縦×横×厚さ＝５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ）を重ね合わせ、３１０℃に予め設定した熱風オーブン内で２０分間加熱してハンダペーストを溶解してハンダ接合し、金属張積層板２０１を作製した。
【０１０５】
［実施例２］
実施例１におけるエポキシ高熱伝導樹脂接着シートの代わりに、作製例１で作製したフィルム状接着シート１（熱伝導率１０Ｗ／ｍｋ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、金属張積層板２０２を作製した。
【０１０６】
［実施例３］
実施例１におけるエポキシ高熱伝導樹脂接着シートの代わりに、作製例２で作製したフィルム状接着シート２（熱伝導率１０Ｗ／ｍｋ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、金属張積層板２０３を作製した。
【０１０７】
［実施例４］
実施例１におけるエポキシ高熱伝導樹脂接着シートの代わりに、作製例３で作製したフィルム状接着シート３（熱伝導率１０Ｗ／ｍｋ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、金属張積層板２０４を作製した。
【０１０８】
［実施例５］
実施例１におけるエポキシ高熱伝導樹脂接着シートの代わりに、作製例４で作製したフィルム状接着シート４（熱伝導率１０Ｗ／ｍｋ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、金属張積層板２０５を作製した。
【０１０９】
［実施例６］
実施例１におけるエポキシ高熱伝導樹脂接着シートの代わりに、作製例５で作製したフィルム状接着シート５（熱伝導率１０Ｗ／ｍｋ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、金属張積層板２０６を作製した。
【０１１０】
［比較例１］
エポキシ高熱伝導樹脂接着シート（新日鐵化学株式会社製、商品名；ＮＥＸ１６０）を６０ｍｍ×６０ｍｍに切断し、支持基材から剥離して、Ｂステージ状態のエポキシ樹脂フィルムを準備した。このフィルムの片側の面に、市販の無酸素銅板２０３（ＪＩＳ  Ｃ１０２０、縦×横×厚さ＝６０ｍｍ×６０ｍｍ×１ｍｍ、表面粗化処理なし）を配置し、２枚のＰＥＴフィルムで樹脂側及び銅箔側を挟み込んだ後、真空ラミネート装置を使用し、減圧下、温度１００℃、圧力０．４ＭＰａ、時間１分間の条件で仮圧着を行った。仮貼り付けした無酸素銅板付きエポキシ樹脂フィルムの樹脂側の面の中央部に、サイズの異なる市販の無酸素銅板２０３’（ＪＩＳ  Ｃ１０２０、縦×横×厚さ＝５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ、表面粗化処理なし）を配置し、大気下、温度１８０℃、圧力４ＭＰａ、時間１０分間の条件で熱圧着した後、１８０℃、６０分間の熱オーブンによる加熱硬化を行い、金属張積層板２０３を作製した。このときの熱圧着は、実施例１と同様にして、クッション材及び離型シートを用いることによって行った。
【０１１１】
［比較例２］
エポキシ高熱伝導樹脂接着シート（新日鐵化学株式会社製、商品名；ＮＥＸ１６０）を６０ｍｍ×６０ｍｍに切断し、支持基材から剥離して、Ｂステージ状態のエポキシ樹脂フィルムを準備した。このフィルムの片側の面に、予めサンドブラスト処理（処理条件；アルミナ＃２２０、エア圧力０．４ＭＰａ）を施した市販の無酸素銅板２０４（ＪＩＳ  Ｃ１０２０、縦×横×厚さ＝６０ｍｍ×６０ｍｍ×１ｍｍ、フィルムと接する面の表面粗度Ｒｚ＝３．５）を配置し、２枚のＰＥＴフィルムで樹脂側及び銅箔側を挟み込んだ後、真空ラミネート装置を使用し、減圧下、温度１００℃、圧力０．４ＭＰａ、時間１分間の条件で仮圧着を行った。仮貼り付けした無酸素銅板付きエポキシ樹脂フィルムの樹脂側の面の中央部に、上記と同様のサンドブラスト処理を施したサイズの異なる市販の無酸素銅板２０４’（ＪＩＳ  Ｃ１０２０、縦×横×厚さ＝５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ、フィルムと接する面の表面粗度Ｒｚ＝３．５）を配置し、大気下、温度１８０℃、圧力４ＭＰａ、時間１０分間の条件で熱圧着した後、１８０℃、６０分間の熱オーブンによる加熱硬化を行い、金属張積層板２０４を作製した。このときの熱圧着は、実施例１と同様にして、クッション材としてクラフト紙２枚をステンレス板で挟んだものを使用し、またクッション材及び離型シートを用いることによって行った。
【０１１２】
［比較例３］
エポキシ高熱伝導樹脂接着シート（新日鐵化学株式会社製、商品名；ＮＥＸ１６０）を６０ｍｍ×６０ｍｍに切断し、支持基材から剥離して、Ｂステージ状態のエポキシ樹脂フィルムを準備した。このフィルムの片側の面に、予めウェットブラスト処理（処理条件；アルミナ＃３２０、エア圧力０．２ＭＰａ）を施した市販の無酸素銅板２０５（ＪＩＳ  Ｃ１０２０、縦×横×厚さ＝６０ｍｍ×６０ｍｍ×１ｍｍ、フィルムと接する面の表面粗度Ｒｚ＝２．０）を配置し、２枚のＰＥＴフィルムで樹脂側及び銅箔側を挟み込んだ後、真空ラミネート装置を使用し、減圧下、温度１００℃、圧力０．４ＭＰａ、時間１分間の条件で仮圧着を行った。仮貼り付けした無酸素銅板付きエポキシ樹脂フィルムの樹脂側の面の中央部に、上記と同様のウェットブラスト処理を施したサイズの異なる市販の無酸素銅板２０５’（ＪＩＳ  Ｃ１０２０、縦×横×厚さ＝５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ、フィルムと接する面の表面粗度Ｒｚ＝２．０）を配置し、大気下、温度１８０℃、圧力４ＭＰａ、時間１０分間の条件で熱圧着した後、１８０℃、６０分間の熱オーブンによる加熱硬化を行い、金属張積層板２０５を作製した。このときの熱圧着は、実施例１と同様にして、クッション材及び離型シートを用いることによって行った。
【０１１３】
［金属張積層板の評価］
１）熱圧着後の樹脂フロー（銅端部からの樹脂の盛り上がり）
比較例１〜３においては、いずれも各金属張積層板の製造過程において、サイズの異なる銅板を熱圧着した際に、銅板が絶縁層に押し込まれるのと同時に、絶縁層と接する銅板面の端部に樹脂のフロー（樹脂の盛り上がり）が生じていることを確認した（図１３参照）。これに対し、実施例１〜６においては、樹脂のフロー又は銅箔層の沈み込みは確認されず、問題はなかった。
【０１１４】
２）絶縁層と銅箔層（又は銅板層）の密着力
比較例１〜４で作製した各金属張積層板を３００℃に予め設定した熱風オーブン内に２０分間放置後、取り出し常温環境下にて急冷することで、チップ実装時の熱衝撃を模擬した。処理後、図１４（ａ）に示すように、絶縁層と銅板層とを剥離し、密着力を確認したところ、比較例１〜４の金属張積層板においては、いずれも容易に引き剥がすことができた。また、引き剥がした絶縁層表面を図１４（ｂ）に示すように目視にて観察したところ、比較例１〜３では、いずれも圧着ムラと考えられる絶縁層側の接着面の変色が確認され、また、大きいサイズの銅板層側における銅板端部の圧着不足が原因と考えられる剥離が確認された。
【０１１５】
実施例１〜６では、各金属張積層板の製造過程におけるハンダ接合時の熱履歴が、チップ装着時の熱衝撃の模擬とできるので、得られた金属張積層板における絶縁層と銅箔層（又は銅板層）との密着力を評価した。実施例１〜６の金属張積層板においては、いずれも絶縁層と銅箔層（又は銅板層）との剥離が困難であり、剥離面はハンダ接合部であった。つまり、実施例１〜６では、絶縁層と銅箔層（又は銅板層）との密着性が極めて強固なものであることが確認された。
【０１１６】
以上、本発明の実施の形態を例示の目的で詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に制約されることはない。当業者は本発明の思想及び範囲を逸脱することなく多くの改変を成し得、それらも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【０１１７】
１…半導体素子、３…積層構造体、１７…接合層、２１…リードフレーム、２３…接合層、２５…金属箔層、２７…絶縁樹脂接着層、２９…金属板層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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