(57)【要約】【課題】本発明は、絶縁耐圧の低下を抑制し、かつ容易に製造することが可能な金属ベース基板、パワーモジュール、および金属ベース基板の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明による金属ベース基板は、銅からなる銅板１と、銅板１上に形成され、銅とは異なる金属からなる金属層２と、金属層２上に絶縁体の樹脂のシートを接合することにより形成された樹脂絶縁シート４と、樹脂絶縁シート４上に形成された回路パターン５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅からなる基板と、
前記基板上に形成され、前記銅とは異なる金属からなる第１の金属層と、
前記第１の金属層上に絶縁体の樹脂のシートを接合することにより形成された樹脂絶縁シートと、
前記樹脂絶縁シート上に形成された回路パターンと、
を備える、金属ベース基板。
【請求項２】
前記第１の金属層は、前記樹脂絶縁シート側の面が粗化されていることを特徴とする、請求項１に記載の金属ベース基板。
【請求項３】
前記基板の前記第１の金属層とは反対側の面上に形成され、前記金属と同じ金属からなる第２の金属層をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属ベース基板。
【請求項４】
前記回路パターンは銅からなり、
前記樹脂絶縁シートと前記回路パターンとの間に、前記金属と同じ金属からなる第３の金属層をさらに備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の金属ベース基板。
【請求項５】
前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の金属ベース基板。
【請求項６】
前記樹脂絶縁シートは、エポキシ樹脂からなることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の金属ベース基板。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の金属ベース基板と、
前記金属ベース基板を下面とするケースと、
一端が前記金属ベース基板の前記回路パターン上に載置された半導体チップと電気的に接続された端子と、
少なくとも前記端子の他端が露出するように前記ケース内に充填された樹脂と、
を備える、パワーモジュール。
【請求項８】
前記樹脂は、ゲル状のシリコーン樹脂を含むことを特徴とする、請求項７に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記樹脂は、固体状のエポキシ樹脂を含むことを特徴とする、請求項７に記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
請求項１から６のいずれか１項に記載の金属ベース基板と、
一端が前記金属ベース基板の前記回路パターン上に載置された半導体チップと電気的に接続された端子と、
少なくとも前記端子の他端が露出するように前記金属ベース基板、前記半導体チップ、および前記端子を封止する封止樹脂と、
を備える、パワーモジュール。
【請求項１１】
前記封止樹脂は、エポキシ樹脂を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のパワーモジュール。
【請求項１２】
前記半導体チップと前記端子とは、ワイヤボンディングによって形成された配線で接続されることを特徴とする、請求項７から１１のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１３】
前記半導体チップと前記端子とは、当該端子とは異なる端子で接続されることを特徴とする、請求項７から１１のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１４】
前記半導体チップは、Ｓｉ、ＳｉＣ、およびＧａＮのうちのいずれかであることを特徴とする、請求項７から１１のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１５】
（ａ）銅からなる基板を準備する工程と、
（ｂ）前記基板上に前記銅とは異なる金属からなる第１の金属層を形成する工程と、
（ｃ）前記第１の金属層上に絶縁体の樹脂のシートを接合することにより樹脂絶縁シートを形成する工程と、
（ｄ）前記樹脂絶縁シート上に回路パターンを形成する工程と、
を備える、金属ベース基板の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ｂ）は、前記第１の金属層の前記樹脂絶縁シートが形成されるべき側の面を粗化する工程を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の金属ベース基板の製造方法。
【請求項１７】
（ｅ）前記基板の前記第１の金属層とは反対側の面上に、前記金属と同じ金属からなる第２の金属層を形成する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の金属ベース基板の製造方法。
【請求項１８】
前記工程（ｄ）において、前記回路パターンは銅からなり、
前記工程（ｃ）と前記工程（ｄ）との間において、
（ｆ）前記樹脂絶縁シート上に前記金属と同じ金属からなる第３の金属層を形成する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の金属ベース基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置用の金属ベース基板、当該金属ベース基板を備えるパワーモジュール、および金属ベース基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーエレクトロニクス等の分野において、例えば半導体チップと電気的に絶縁しつつ、半導体チップで生じた熱の放熱性を確保するために、半導体チップを載置する金属基板が用いられている。
【０００３】
例えば、金属基板として銅板を用いる場合において、銅板と当該銅板上に形成される絶縁層との密着性（密着強度）を向上させるために、銅板の片面（絶縁層が形成される側の面）上にアルミニウム（あるいはアルミニウム合金）を圧延して形成したクラッド材ベース板上に、液状のエポキシ樹脂を塗布することによって絶縁層を形成して得られる金属ベース基板が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３５０２１３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では、銅板上に液状のエポキシ樹脂を塗布して絶縁層を形成しているため、絶縁層の厚みを確保することができず、絶縁耐圧を保つことができない。また、液状のエポキシ樹脂を塗布して形成した絶縁層にピンホールが形成され、絶縁耐圧が低下する可能性がある。さらに、上記構造を製造する際の製造工程が複雑化するという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、絶縁耐圧の低下を抑制し、かつ容易に製造することが可能な金属ベース基板、パワーモジュール、および金属ベース基板の製造方法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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明による金属ベース基板は、銅からなる基板と、基板上に形成され、銅とは異なる金属からなる第１の金属層と、第１の金属層上に絶縁体の樹脂のシートを接合することにより形成された樹脂絶縁シートと、樹脂絶縁シート上に形成された回路パターンとを備える。
【０００８】
また、本発明による金属ベース基板の製造方法は、（ａ）銅からなる基板を準備する工程と、（ｂ）基板上に銅とは異なる金属からなる第１の金属層を形成する工程と、（ｃ）第１の金属層上に絶縁体の樹脂のシートを接合することにより樹脂絶縁シートを形成する工程と、（ｄ）樹脂絶縁シート上に回路パターンを形成する工程とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、金属ベース基板は、銅からなる基板と、基板上に形成され、銅とは異なる金属からなる第１の金属層と、第１の金属層上に絶縁体の樹脂のシートを接合することにより形成された樹脂絶縁シートと、樹脂絶縁シート上に形成された回路パターンとを備えるため、絶縁耐圧の低下を抑制し、かつ容易に製造することが可能となる。
【００１０】
また、金属ベース基板の製造方法は、（ａ）銅からなる基板を準備する工程と、（ｂ）基板上に銅とは異なる金属からなる第１の金属層を形成する工程と、（ｃ）第１の金属層上に絶縁体の樹脂のシートを接合することにより樹脂絶縁シートを形成する工程と、（ｄ）樹脂絶縁シート上に回路パターンを形成する工程とを備えるため、絶縁耐圧の低下を抑制し、かつ容易に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１による金属ベース基板の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１による金属ベース基板の構成の他の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１による金属ベース基板の構成の他の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１による金属ベース基板の構成の他の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの構成の他の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの構成の他の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの構成の他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。
【００１３】
＜実施の形態１＞
まず、本発明の実施の形態１による金属ベース基板の構成について説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態１による金属ベース基板の構成の一例を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、銅板１（銅からなる基板）上には金属層２（第１の金属層）が接合して形成されており、銅板１と金属層２とでクラッド材ベース板３を構成している。ここで、金属層２としては、銅とは異なる種類の金属であり、後述する樹脂絶縁シート４との密着性が良い金属、例えばアルミニウムあるいはアルミニウム合金であってもよい。
【００１６】
金属層２上には、絶縁体の樹脂のシートを接合することにより形成された樹脂絶縁シート４が接合して形成されている。樹脂絶縁シート４は、例えばエポキシ樹脂等からなる。ここで、樹脂絶縁シート４は、単独で金属層２に接合させてもよく、接着剤等を介して金属層２に接合させてもよい。樹脂絶縁シート４上には、回路パターン５が形成されている。
【００１７】
回路パターン５上には、はんだ６を介して半導体チップ７が載置されている。
【００１８】
次に、金属ベース基板の製造方法について説明する。
【００１９】
まず、銅板１上に金属層２を接合して形成する。次いで、金属層２上に樹脂絶縁シート４を接合して形成する。次いで、樹脂絶縁シート４上に回路パターン５を形成し、金属ベース基板を得る。その後、金属ベース基板における回路パターン５上の任意の箇所に、はんだ６等の導電性接合材を介して半導体チップ７を載置する。
【００２０】
上記より、樹脂絶縁シート４を用いることによって、当該樹脂絶縁シート４の厚みを確保することが容易となり、ピンホールの形成も防ぐことができる。従って、絶縁耐圧の低下を抑制し、絶縁不良を防ぐことが可能となる。また、容易に金属ベース基板を製造することができる。
【００２１】
次に、金属ベース基板の構成の変形例（変形例１〜３）について説明する。
【００２２】
＜変形例１＞
図２は、金属ベース基板の構成の他の一例を示す図である。
【００２３】
図２に示すように、本変形例１による金属ベース基板は、金属層２の樹脂絶縁シート４側の面（表面）が粗化されていることを特徴としている。その他の構成は、図１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００２４】
金属層２の形成後、当該金属層２の表面を粗化する。金属層２の表面を粗化する方法としては、銅板１上に金属層２を形成した後に、金属層２の表面（樹脂絶縁シート４が形成されるべき側の面）を、研磨剤によって物理的に研磨するか、あるいはエッチングすることによって粗化する。
【００２５】
樹脂絶縁シート４は、金属層２の粗化された面上に接合して形成される。ここで、樹脂絶縁シート４は、例えば熱または加圧により軟化し、金属層２の粗化された面の凹凸に密着する。
【００２６】
上記より、金属層２の表面を粗化させることによって、金属層２と樹脂絶縁シート４との密着性をより向上させることが可能となる。
【００２７】
＜変形例２＞
図３は、金属ベース基板の構成の他の一例を示す図である。
【００２８】
図３に示すように、本変形例２による金属ベース基板は、銅板１の裏面（金属層２とは反対側の面）上に金属層８（第２の金属層）を備えることを特徴としている。その他の構成は、図２と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００２９】
金属層８は、金属層２と同じ金属からなる。すなわち、銅板１の両面（表面および裏面）には、同種の金属からなる金属層２および金属層８がそれぞれ接合して形成されている。また、銅板１、金属層２、および金属層８でクラッド材ベース板３を構成している。
【００３０】
上記より、銅板１の両面に同種の金属からなる金属層２および金属層８を形成することによって、温度変化に起因する銅板１の反りを抑制することが可能となる。
【００３１】
なお、図３では、金属層２の表面が粗化されている場合を一例として示しているが、金属層２の表面が粗化されていなくても上記と同様の効果が得られる。すなわち、図１に示す金属ベース基板において、銅板１の裏面（金属層２とは反対側の面）上に金属層８を形成してもよい。
【００３２】
＜変形例３＞
図４は、金属ベース基板の構成の他の一例を示す図である。
【００３３】
図４に示すように、本変形例３による金属ベース基板は、樹脂絶縁シート４と回路パターン５との間に金属層９（第３の金属層）を備えることを特徴としている。その他の構成は、図３と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００３４】
回路パターン５は、導電性を有する材料、例えば銅からなる。また、金属層９は、金属層２と同じ金属からなり（図４の例では、金属層８とも同じ金属からなる）、樹脂絶縁シート４側の面が粗化されている。
【００３５】
回路パターン５と金属層９とは、接合して形成され、クラッド材回路パターン１０を構成している。また、金属層９の粗化された面と樹脂絶縁シート４とが接合して形成されている。
【００３６】
上記より、回路パターン５と樹脂絶縁シート４との密着性が向上するため、回路パターン５の厚さを厚くしても当該回路パターン５が剥離しにくくなる。従って、熱伝導率が高い金属ベース基板を得ることが可能となる。
【００３７】
なお、図４では、金属層２の表面が粗化され、銅板１の裏面に金属層８が形成されている場合を一例として示しているが、金属層２の表面が粗化されず、あるいは金属層８が形成されていなくても上記と同様の効果が得られる。すなわち、図１，２に示す金属ベース基板のそれぞれにおいて、回路パターン５の樹脂絶縁シート４側に金属層９を形成してもよい。
【００３８】
また、図４では、金属層９の表面を粗化している場合について示しているが、所望の密着性が得られるのであれば、金属層９の表面を粗化しなくてもよい。
【００３９】
＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの構成の一例を示す図である。
【００４０】
図５に示すように、パワーモジュールは、実施の形態１による金属ベース基板と、金属ベース基板を下面とするケース１５と、一端が金属ベース基板の回路パターン５上に載置された半導体チップ７を電気的に接続された電力端子１１および信号端子１２と、少なくとも電力端子１１および信号端子１２の他端が露出するようにケース１５内に充填された樹脂（樹脂１７，１８）とを備えている。
【００４１】
なお、図５に示す金属ベース基板は、図１に示す金属ベース基板における銅板１の裏面に、図３に示すような金属層８を形成した場合を一例として示しているが、実施の形態１による金属ベース基板であればよい。また、フタ１６は、ケース１５と別個に設けられてもよく、ケース１５と一体に設けられてもよい。
【００４２】
電力端子１１および信号端子１２は、外部から電力あるいは信号を半導体チップ７に供給するために設けられている。電力端子１１と半導体チップ７は、電力配線１３および回路パターン５を介して電気的に接続されている。また、信号端子１２と半導体チップ７とは、信号配線１４を介して電気的に接続されている。
【００４３】
樹脂１７は、電力端子１１および信号端子１２の他端が露出し、かつ半導体チップ７、電力配線１３、および信号配線１４を封止するようにケース１５内に充填されている。ここで、樹脂１７は、ゲル状の樹脂であり、例えばゲル状のシリコーン樹脂であってもよい。
【００４４】
上記より、実施の形態１による金属ベース基板を、温度変化に伴う形状変化が生じるパワーモジュールに適用することが可能となる。特に、充填材料である樹脂がゲル状である場合は柔らかい（柔軟性を有している）ため封止の対象となる構成要素を固定することができず、従来ではクラッド材ベース板から回路パターンあるいは絶縁層が剥離しやすいという問題があった。しかし、本発明の実施の形態１による金属ベース基板を用いれば、回路パターン５、樹脂絶縁シート４、およびクラッド材ベース板３の密着性が向上しているため、クラッド材ベース板３から回路パターン５あるいは樹脂絶縁シート４が剥離することを防ぐことができる。
【００４５】
次に、パワーモジュールの構成の変形例（変形例１〜５）について説明する。
【００４６】
＜変形例１＞
図６は、パワーモジュールの構成の他の一例を示す図である。
【００４７】
図６に示すように、本変形例１によるパワーモジュールは、樹脂１９が固体状の樹脂であることを特徴としている。その他の構成は、図５と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００４８】
樹脂１９は、固体状の樹脂であり、例えば固体状のエポキシ樹脂であってもよい。樹脂１９をケース１５内に充填する方法としては、例えばポッティングであってもよい。
【００４９】
上記より、実施の形態１による金属ベース基板を、温度変化に伴う形状変化が生じるパワーモジュールに適用することが可能となる。特に、充填材料である樹脂が固体状である場合は封止の対象となる構成要素を固定することができるが、従来では回路パターン、絶縁層、およびクラッド材ベース板の各々の熱膨張係数が異なることによる応力が起因となって、クラッド材ベース板から回路パターンあるいは絶縁層が剥離しやすいという問題があった。しかし、本発明の実施の形態１による金属ベース基板を用いれば、回路パターン５、樹脂絶縁シート４、およびクラッド材ベース板３の密着性が高まっているため、クラッド材ベース板３から回路パターン５あるいは樹脂絶縁シート４が剥離することを防ぐことができ、パワーモジュールの信頼性（寿命）を向上させることが可能となる。
【００５０】
＜変形例２＞
図７は、パワーモジュールの構成の他の一例を示す図である。
【００５１】
図７に示すように、本変形例２によるパワーモジュールは、実施の形態１による金属ベース基板と、一端が金属ベース基板の回路パターン５上に載置された半導体チップ７と電気的に接続された電力端子１１および信号端子１２と、少なくとも電力端子１１および信号端子１２の他端が露出するように金属ベース基板、半導体チップ７、電力端子１１、および信号端子１２を封止する封止樹脂２０とを備えている。
【００５２】
なお、図７に示す金属ベース基板は、図１に示す金属ベース基板における銅板１の裏面に、図３に示すような金属層８を形成した場合を一例として示しているが、実施の形態１による金属ベース基板であればよい。
【００５３】
電力端子１１および信号端子１２は、外部から電力あるいは信号を半導体チップ７に供給するために設けられている。電力端子１１と半導体チップ７は、電力配線１３および回路パターン５を介して電気的に接続されている。また、信号端子１２と半導体チップ７とは、信号配線１４を介して電気的に接続されている。
【００５４】
封止樹脂２０は、電力端子１１および信号端子１２の他端、および金属ベース基板の裏面側（金属層８の銅板１とは反対側の面）が露出するように金属ベース基板、半導体チップ７、電力端子１１、および信号端子１２を封止している。封止樹脂２０は、固体状の樹脂であり、例えば固体状のエポキシ樹脂であってもよい。封止樹脂２０による封止の方法としては、例えばトランスファーモールドによって封止する方法であってもよい。
【００５５】
上記より、実施の形態１による金属ベース基板を、温度変化に伴う形状変化が生じるパワーモジュールに適用することが可能となる。特に、充填材料である樹脂が固体状である場合は封止の対象となる構成要素を固定することができるが、従来では回路パターン、絶縁層、およびクラッド材ベース板の各々の熱膨張係数が異なることによる応力が起因となって、クラッド材ベース板から回路パターンあるいは絶縁層が剥離しやすいという問題があった。しかし、本発明の実施の形態１による金属ベース基板を用いれば、回路パターン５、樹脂絶縁シート４、およびクラッド材ベース板３の密着性が高まっているため、クラッド材ベース板３から回路パターン５あるいは樹脂絶縁シート４が剥離することを防ぐことができ、パワーモジュールの信頼性（寿命）を向上させることが可能となる。
【００５６】
＜変形例３＞
本変形例３では、図５〜７に示すパワーモジュールにおいて、半導体チップ７に対する電力配線１３の接続をワイヤボンディングによって行うことを特徴としている。すなわち、半導体チップ７と電力端子１１とは、ワイヤボンディングによって形成された配線で接続されている。
【００５７】
図５〜７に示すパワーモジュールで用いられている金属ベース基板では、回路パターン５と樹脂絶縁シート４との密着性が向上している。従って、従来よりも強い力でワイヤボンディングを行うことができる。
【００５８】
上記より、従来よりも強い力でワイヤボンディングを行うことができるため、ワイヤボンディングによって接続された電力配線１３の接合部の寿命が長くなり、パワーモジュールの信頼性（寿命）を向上させることが可能となる。
【００５９】
なお、図５〜７は、半導体チップ７に対して電力配線１３が接続されている例を示しているが、回路パターン５に対する電力配線１３の接続をワイヤボンディングによって行う場合でも同様の効果が得られる。
【００６０】
＜変形例４＞
図８は、パワーモジュールの構成の他の一例を示す図である。
【００６１】
図８に示すように、本変形例４によるパワーモジュールは、図５に示すパワーモジュールにおける線状の電力配線１３に代えて板状の電極端子２１を用いることを特徴としている。すなわち、半導体チップ７と電力端子１１とは、電力端子１１とは異なる電極端子２１で接続されている。その他の構成は、図５と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００６２】
電極端子２１を半導体チップ７に接合する方法としては、例えば、はんだ付け、超音波接合（ＵＳ（Ultrasonic）接合）、あるいは溶接であってもよい。
【００６３】
従来、電極端子を半導体チップに接合する際にパワーモジュールが熱変形して電極端子から引っ張り応力が加わると、絶縁層と回路パターンとの密着性が弱いため、絶縁層と回路パターンとの接合部が剥離するという問題があった。しかし、本変形例４によれば、樹脂絶縁シート４と回路パターン５との密着性が向上しているため、電極端子２１を半導体チップ７に接合しても樹脂絶縁シート４と回路パターン５との接続部が剥離することを防止することが可能となる。
【００６４】
なお、図８は、図５に示す電力配線１３を電極端子２１に代えた場合について示しているが、図６，７に示す電力配線１３を電極端子２１に代えた場合であっても同様の効果が得られる。
【００６５】
また、図８は、半導体チップ７に対して電力配線１３が接続されている例を示しているが、回路パターン５に対して電極端子２１を接合する場合でも同様の効果が得られる。
【００６６】
＜変形例５＞
本変形例５では、図５〜８に示すパワーモジュールにおける半導体チップ７は、Ｓｉ、あるいは高温半導体デバイス（高温動作可能な半導体デバイス）、例えばＳｉＣ、およびＧａＮを含むことを特徴としている。
【００６７】
半導体チップとしてＳｉＣやＧａＮなどの高温半導体デバイスを、高い温度サイクルスイング幅での用途、あるいは高温環境下での用途として用いる場合は、従来のＳｉを半導体チップとして用いた場合におけるパワーモジュールのパッケージ構成よりも、熱応力による反りの抑制や、剥離あるいはクラックの耐量が必要となるとなる。このような場合において、図５〜７に示すパワーモジュールであれば、信頼性の寿命（特に、温度サイクル寿命）を長寿命化することができる。
【００６８】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１  銅板、２  金属層、３  クラッド材ベース板、４  樹脂絶縁シート、５  回路パターン、６  はんだ、７  半導体チップ、８  金属層、９  金属層、１０  クラッド材回路パターン、１１  電力端子、１２  信号端子、１３  電力配線、１４  信号配線、１５  ケース、１６  フタ、１７  樹脂、１８  樹脂、１９  樹脂、２０  封止樹脂、２１  電極端子。
【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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