(57)【要約】 【課題】基板の厚さ方向において高い熱伝導性を実現し、半導体の高機能化、高密度化や小形化による発熱量や発熱密度の増大に対しても十分な対応できる優れた放熱性が得られる放熱基板を提供する。【解決手段】上下両面を露出させた状態で絶縁材２１、２２中に埋設され、それぞれが電気的に独立した少なくとも１個以上の金属放熱体１１を備え、金属放熱体１１の上面は下面より面積的に小さく形成されている。そして、金属放熱体１１の上面に発熱素子１０が搭載され、絶縁材２１の上面に発熱素子以外の電子部品１３が搭載される。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下両面を露出させた状態で絶縁材中に埋設され、それぞれが電気的に独立した少なくとも１個以上の金属放熱体を備え、
前記金属放熱体の上面は下面より面積的に小さく形成されており、
前記金属放熱体の上面に発熱素子が搭載され、前記絶縁材の上面に前記発熱素子以外の電子部品が搭載されることを特徴とする放熱基板。
【請求項２】
前記金属放熱体の下面および前記絶縁材の下面に高熱伝導性の絶縁層が形成され、且つ、当該絶縁層の表面に放熱用の金属層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
【請求項３】
前記絶縁層の熱伝導率は、４Ｗ／ｍ・ｋ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の放熱基板。
【請求項４】
前記金属放熱体の上面および前記絶縁材の上面は研磨により平滑化されており、且つ、その平滑面上に導体パターンが形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の放熱基板。
【請求項５】
前記導体パターンの部品接合部分に、ニッケルメッキを下地とした金メッキが施されていることを特徴とする請求項４に記載の放熱基板。
【請求項６】
前記金属放熱体は、銅または銅合金で成ることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の放熱基板。
【請求項７】
金属板の一方の面をエッチングレジストを用いて板厚方向のほぼ中間部までエッチングして、前記金属板の一方の面に少なくとも１個以上の凸部を形成すると共に、前記エッチングにより形成された第１の凹部に第１の絶縁層を形成し、
前記金属板の他方の面であって、前記第１の凹部に対向する面をエッチングレジストを用いて前記第１の絶縁層に達するまでエッチングし、前記第１の凹部より面積の小さい第２の凹部を形成すると共に、前記第２の凹部に第２の絶縁層を形成することを特徴とする放熱基板の製造方法。
【請求項８】
前記金属板の他方の面に高熱伝導性の第３の絶縁層を形成し、且つ、この第３の絶縁層の表面に放熱用の金属層を形成することを特徴とする請求項７に記載の放熱基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１から請求項６までの何れかに記載の放熱基板を用いて製造したことを特徴とする電子部品モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱素子の熱放散に用いて好適な放熱基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、高出力ＬＥＤ等、動作時に大きな発熱を伴う半導体素子（発熱素子）を搭載して熱放散する放熱基板として様々な形態が知られている。
【０００３】
例えば、図１０に示すように、回路基板３１の、発熱素子１０が搭載される位置の直下、または近傍に内部メッキされた放熱用の導通スルーホール３２を複数形成し、この導通スルーホール３２に発熱素子１０の熱を伝導させて回路基板３１の下面（裏面）から放熱させる構造の放熱スルーホール基板、或いは、図１１に示すように、ベースとなるアルミニウム板４１の両面に絶縁層４２が形成され、基板上面に搭載される発熱素子１０が電気的に絶縁される構造のアルミ絶縁基板、更には、図１２に示すように、ベースとなる金属板５１（銅板）の上下両面に回路基板５２が設けられると共に、この回路基板５２に発熱素子１０が搭載される構造の金属コア基板等がある。
【０００４】
ところで、近年、上述した各半導体素子の高機能化、高密度化や小形化が進められており、これらに伴い半導体素子の発熱量と発熱密度はますます増大する傾向にある。
【０００５】
このようなことから、図１０の放熱スルーホール基板では、導通スルーホール３２による熱拡散作用だけでは十分な熱放散効果が得られず、発熱素子１０の性能劣化や熱破損を招く虞があった。
また、図１１のアルミ絶縁基板にあっては、アルミニウムの熱膨張係数が発熱素子１０の熱膨張係数より大きいため、基板による熱放散が不十分であると、基板に発熱素子１０を半田接合した場合に双方の熱膨張係数の差から接合部分に剪断応力によるクラックが発生し、配線が断線する虞があった。特に、上記発熱素子１０が直接基板に半田接合されるベアチップの場合は、両者の熱膨張係数の差が更に大きくなるため、クラックによる断線はさらに発生し易くなる。
【０００６】
さらに、図１２の金属コア基板では、基板の面方向の熱伝導性は良好であるが、基板の厚さ方向の熱伝導が悪いため、例えば、発熱素子１０の搭載位置の真下や近傍に、図１０と同様に伝熱用の導通スルーホールを形成し、この導通スルーホールを介して半導体素子の熱を基板の厚み方向に拡散するようにしている場合もあり、基板構造が複雑化していた。
このように、従来の放熱基板による放熱性はまだまだ不十分であり、放熱基板の更なる放熱性の向上が望まれている。
【０００７】
このようなことから、近年、放熱基板の放熱性を向上させるための様々な技術が提案されてきている（例えば、特許文献１、特許文献２）が、放熱基板の放熱性、小型軽量化、生産性等の面で満足のいくものが得られていないのが実情である。  
【特許文献１】特開２０００−１８３４７４号公報
【特許文献２】特開２００７−５３２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、発熱素子の熱を直接金属基板に伝導することで、基板の厚さ方向において高い熱伝導性を実現し、発熱素子の高機能化、高密度化や小形化による発熱量や発熱密度の増大に対しても十分対応できる優れた放熱性が得られる放熱基板を提供することを目的とし、さらには、高密度実装が可能な放熱基板を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、請求項１に記載の放熱基板は、上下両面を露出させた状態で絶縁材中に埋設され、それぞれが電気的に独立した少なくとも１個以上の金属放熱体を備え、前記金属放熱体の上面は下面より面積的に小さく形成されており、前記金属放熱体の上面に発熱素子が搭載され、前記絶縁材の上面に前記発熱素子以外の電子部品が搭載されることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の放熱基板において、前記金属放熱体の下面および前記絶縁材の下面に高熱伝導性の絶縁層が形成され、且つ、当該絶縁層の表面に放熱用の金属層が形成されていることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の放熱基板において、前記絶縁層の熱伝導率は、４Ｗ／ｍ・ｋ以上であることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の放熱基板において、前記金属放熱体の上面および前記絶縁材の上面は研磨により平滑化されており、且つ、その平滑面上に導体パターンが形成されていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の放熱基板において、前記導体パターンの部品接合部分に、ニッケルメッキを下地とした金メッキが施されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の放熱基板において、前記金属放熱体は、銅または銅合金で成ることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項７に記載の放熱基板の製造方法は、金属板の一方の面をエッチングレジストを用いて板厚方向のほぼ中間部までエッチングして、前記金属板の一方の面に少なくとも１個以上の凸部を形成すると共に、前記エッチングにより形成された第１の凹部に絶縁材による第１の絶縁層を形成し、前記金属板の他方の面であって、前記第１の凹部に対向する面をエッチングレジストを用いて前記第１の絶縁層に達するまでエッチングし、前記第１の凹部より面積の小さい第２の凹部を形成すると共に、第２の凹部に前記絶縁材による第２の絶縁層を形成することを特徴としている。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の放熱基板の製造方法において、前記金属板の他方の面に高熱伝導性の絶縁層を形成し、且つ、この絶縁層の表面に放熱用の金属層を形成することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項９に記載の電子部品モジュールは、請求項１から請求項６までの何れかに記載の放熱基板を用いて製造したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、各金属放熱体が絶縁材によって電気的に独立しているため、例えば、発熱素子として種々の半導体ベアチップを金属放熱体の上面に直接半田にて接合することが可能であり、これにより、半導体ベアチップからの熱を直接金属放熱体に伝導して、良好に熱放散することができる。
また、金属放熱体の下面（裏面）側を幅広に形成することにより、発熱素子の搭載部分（上面側）の面積が小さくても、下面側において放熱に必要な金属面積を確保できるため、放熱基板の熱抵抗を大幅に低減して放熱性を向上できる。
【００１８】
また、請求項２、３に記載の発明によれば、金属放熱体と絶縁材の下面に熱伝導率が４Ｗ／ｍ・ｋ以上の高い熱伝導性を有する絶縁層が形成され、その表面に放熱用の金属層が形成されるため、金属放熱体より伝導された熱が高熱伝導性の絶縁層を介して効率良く金属層に伝導され、さらにこの金属層を介して基板裏面において面方向に拡散されることから、基板の厚さ方向において高い熱伝導性を実現でき、発熱素子の高機能化、高密度化や小形化により発熱量や発熱密度が増大しても十分に対応し得る高い放熱性が得られる。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明によれば、基板上面を平滑化することにより、導体パターンを高精度に形成することができ、その結果、高密度実装が可能となり、放熱基板の小形化を図ることができる。
【００２０】
特に、請求項５に記載の発明のように、上記導体パターンの部品接合部分に金メッキが施されることにより、半導体ベアチップを搭載する場合のワイヤボンディング接続が可能となり、さらなる高密度実装による放熱基板の小形化を図ることができる。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明によれば、金属放熱体として熱伝導率の高い銅または銅合金を用いることにより、発熱素子の熱を効率良く基板の下面側に拡散させることが可能となる。
【００２２】
また、請求項７、８に記載の発明によれば、金属板を上下面からハーフエッチング加工するようにしたので、厚さ方向の形状を変えた金属板を第１、第２の絶縁層中に埋め込んで成る放熱性に優れる放熱基板を、高品質に、且つ、効率良く製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の放熱基板の実施形態を説明する。
【００２４】
図８は、本実施形態による放熱基板を用いた半導体モジュールの構成を示している。
図８に示すように、本実施形態の放熱基板２０は、基板上部の第１の絶縁層２１と基板下部の第２の絶縁層２２により成る絶縁材（絶縁性樹脂あるいはプリプレグ）中に電気的に独立した複数の金属放熱体１１が埋設されている。
【００２５】
この金属放熱体１１は、熱伝導率が高く、且つ、加工し易い、銅や銅合金（或いは、ニッケル、ニッケル基合金等）が用いられ、上部に比べて下部を幅広とした縦断面凸形状に形成されており、且つ、その上面は第１の絶縁層２１とほぼ同一面上に露出し、下面は第２の絶縁層２２とほぼ同一面上に露出している。
【００２６】
また、第２の絶縁層２２と上記金属放熱体１１の下面全面に熱伝導率の高い第３の絶縁層２３が形成され、さらに、この第３の絶縁層２３の下面全面に、例えば、銅箔による金属層６が形成されている。
ここで、上記第３の絶縁層２３の材料として、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の高熱伝導性フィラーを充填させたエポキシ樹脂等が用いられている。
【００２７】
そして、基板上面においては、発熱素子１０である半導体ベアチップ１０が半田１４により金属放熱体１１の露出面に直接接合され、また、第１の絶縁層２１の表面に回路パターンやパッド等、銅材による複数の導体パターン８が形成されている。そして、これら導体パターン８の所定のパッド部分には、上記した半導体ベアチップ１０が金やアルミ等のワイヤ１２にてボンディングされ、別のパッド部分には、上記半導体ベアチップ１０以外の発熱の少ない様々な電子部品１３（チップ部品）が半田１４にて接合されて、半導体モジュール４０（電子部品モジュール）が構成されている。
尚、発熱素子１０として、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、高出力ＬＤＥ等、動作時に大きな発熱を伴う素子が搭載可能であり、上述のベアチップの他、モールドタイプも搭載可能である。
【００２８】
次に、図１〜図７に基づいて上述した放熱基板２０の製造方法について説明する。
【００２９】
先ず、図１（ａ）に示すように、熱伝導率の高い金属板１の一方の面（上面）の所定部分にスクリーン印刷等の公知の手法によりエッチングレジスト２が塗布されると共に、図１（ｂ）に示すように、レジスト処理領域以外の部分が、公知のエッチング技術によって金属板１の厚さの約半分程度エッチングされ、これにより、金属板１の所要の位置に複数の凸部３が形成される。
【００３０】
次に、図２に示すように、上述した金属板１のエッチング処理で形成された上記凸部３を除く第１の凹部４内に絶縁性樹脂、またはプリプレグが積層され、これが熱圧着、熱硬化されて第１の絶縁層２１が形成される。
【００３１】
次に、図３（ａ）に示すように、エッチングレジストを用いて金属板１の他方の面（下面）がエッチングされ、第２の凹部５が形成されると共に、この第２の凹部５内に絶縁性樹脂またはプリプレグが積層され、熱圧着、熱硬化されることで第２の絶縁層２２が形成される。この時、第２の凹部５は、図３（ｂ、ｃ）に示すように、基板上面側の第１の凹部４よりも面積的に小さく形成されており、且つ、この第２の凹部５の深さは第１の絶縁層２１に達しているため、第２の絶縁層２２を形成することにより第１の絶縁層２１と第２の絶縁層２２が一体化される。ここで、図３（ｂ）は、図３（ａ）の平面図を示し、図３（ｃ）は裏面図を示している。
本実施形態の製造方法では、先ず、図２の行程において基板上面の第１の凹部４内に第１の絶縁層２１が形成されることで、図３の行程において基板下面に第２の凹部５が形成される際に金属板１が分離することを防止できる。
【００３２】
このように、金属板１を上下両面からハーフエッチング加工することにより、第１、第２の絶縁層２１、２２中（絶縁材中）に埋め込まれて、それぞれが電気的に独立した縦断面凸形状の複数の金属放熱体１１が形成される。そして、これら金属放熱体１１の上下両面１１ａ、１１ｂのそれぞれは、図３（ａ）に示すように、第１の絶縁層２１および第２の絶縁層２２とほぼ同一平面上に露出している。
【００３３】
次に、図４に示すように、第２の絶縁層２２と各金属板１（すなわち、各金属放熱体１１）の下面を含む基板の下面全体に第３の絶縁層２３が形成されると共に、この第３の絶縁層２３が研磨により整面され、整面された第３の絶縁層２３上に、例えば、銅箔等が固着されることにより、放熱用の金属層６が形成される。
ここで、上記した第３の絶縁層２３は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の高熱伝導性フィラーが充填された熱硬化型のエポキシ樹脂が用いられる。
【００３４】
因みに、アルミナを用いて形成した絶縁層２３の熱伝導率は、２〜４Ｗ／ｍ・ｋであり、窒化アルミニウムを用いた場合は、４〜８Ｗ／ｍ・ｋであり、窒化ホウ素を用いた場合は、４〜１０Ｗ／ｍ・ｋであり、何れも４Ｗ／ｍ・ｋ以上の高熱伝導率を有している。
【００３５】
次に、図５に示すように、基板上面において、金属放熱体１１の露出面１１ａと第１の絶縁層２１の上面が研磨により平滑化され、平滑化された金属放熱体１１の上面１１ａと第１の絶縁層２１の上面に厚さ３０〜１００μｍ程度の銅メッキ７が施される。
【００３６】
次に、図６に示すように、上記銅メッキ７がエッチングレジストを用いてエッチングされ、所定の回路パターンやパッド等の導体パターン８が形成される。また、これら導体パターン８の半田接合に与らない部分にソルダーレジスト（図示せず）が施される。
【００３７】
次に、図７に示すように、上記導体パターン８の半田接合部分にニッケルメッキを下地とした金メッキ９が施され、これで、本実施形態の放熱基板２０の製造が完了する。
【００３８】
本実施形態の放熱基板２０では、図８に示す半導体モジュール４０のように、金属放熱体１１の上面に半導体ベアチップ１０を直接半田１４により接合することができ、半田接合された半導体ベアチップ１０が金メッキ９処理された導体パターン８の所定のパッド部分にワイヤボンディングされると共に、その他の発熱の少ない様々な電子部品（チップ部品）１３が第１の絶縁層２１に形成された導体パターン８のパッド部分に半田接合される。
【００３９】
尚、上述したように、第１の絶縁層２１の最表面は研磨され平滑であるため、回路パターンやパッド等の導体パターン８を精度良く形成することができ、種々の電子部品１３を高密度に実装することが可能であり、よって、放熱基板２０の小形化を図ることができる。
さらには、導体パターン８の部品接合部分（パット部分）にニッケルメッキを下地とした金メッキ９が形成されることにより、半導体ベアチップ１０を搭載した際のワイヤボンディング接続が可能となり、さらなる高密度実装による放熱基板の小形化を図ることができる。
【００４０】
さらに、本実施形態によれば、各金属放熱体１１が第１の絶縁層２１と第２の絶縁層２２内に埋め込まれて電気的に独立しているため、例えば、発熱素子１０として種々の半導体ベアチップ１０を金属放熱体１１の上面に直接半田１４にて接合することが可能であり、これにより、半導体ベアチップ１０からの熱を直接金属放熱体１１に伝導して、良好に熱放散することができる。
また、金属放熱体１１を縦断面凸形状として、裏面側を幅広に形成することより、発熱素子１０の搭載部分（金属放熱体１１の上面側）の面積が小さくても、基板の下面側において放熱に必要な金属面積を確保できるため、放熱基板２０の熱抵抗が大幅に低減され、放熱性を向上できる。
【００４１】
また、金属放熱体１１の下面に熱伝導率４Ｗ／ｍ．ｋ以上といった高熱伝導性の第３の絶縁層２３が形成され、その表面に放熱用の金属層６が形成されているため、金属放熱体１１より伝導された発熱素子１０の熱が高熱伝導性の第３の絶縁層２３を介して効率良く金属層６に伝導され、さらに、金属層６を介して基板下面において面方向に拡散されることから、基板の厚さ方向において高い熱伝導性を実現でき、発熱素子１０の高機能化、高密度化や小形化により発熱量や発熱密度が増大しても十分な対応し得る優れた放熱性が得られる。
【００４２】
また、金属放熱体１１として熱伝導率の高い銅または銅合金を用いることにより、発熱素子１０の熱を効率良く基板の下面側に拡散させることが可能となる。また、銅板は熱伝導率が高く、且つ、加工し易いため、エッチング技術を用いた当放熱基板２０の作製に好適である。
【００４３】
また、本実施形態による放熱基板２０の製造方法によれば、金属板１を上下両面からハーフエッチング加工するようにしたので、厚さ方向の形状を変えた縦断面凸形状の金属放熱体１１が第１、第２の絶縁層中に埋設されて成る放熱基板２０を、高品質に、且つ、効率良く製造することができる。
【００４４】
また、本実施形態の放熱基板２０は、図９に示すように、基板上面を、発熱素子１０（例えば、半導体ベアチップ１０）のみが搭載される基板領域Ｐ１と、発熱の少ない他の電子部品１３（図示せず）が実装される基板領域Ｐ２とに区分けすることで、部品実装の高密度化を図ることも可能である。
上記構成によれば、基板の放熱性が極めて高いため、複数個の半導体ベアチップ１０を各金属放熱体１１の上面１１ａに半田接合することで高密度に実装できると共に、第１の絶縁層２１の上面が研磨により平滑化されているため、図示しないが、この基板領域Ｐ２に回路パターンやパッド等の導体パターン８を精度良く形成でき、種々の電子部品１３を高密度に実装することが可能である。
【実施例１】
【００４５】
次に、本発明による放熱基板の放熱性を確認するため、図１３に示す本発明の放熱基板６０（実施例）と、図１４に示すアルミ絶縁基板７０（比較例）のそれぞれについて熱抵抗を算出し、算出結果を各部位の構成と共に表１および表２に示した。
【００４６】
尚、図１３中、符号６１は発熱素子、符号６２は導体パターン、符号６３は実装用の銅板（金属放熱体）、６４は熱伝導性の絶縁層、符号６５は銅箔（金属層）、符号６６は絶縁材である。また、図１４中、符号７１は発熱素子、符号７２は導体パターン、符号７３は実装用の銅パッド、符号７４は熱伝導性の絶縁層、符号７５はベースとなるアルミニウム板である。
【００４７】
【表１】
2008251671.tif 000003
【００４８】
【表２】
2008251671.tif 000004
【００４９】
表１、表２に示すように、比較例のアルミ絶縁基板７０の熱抵抗が１．１８８℃／Ｗであるのに対し、本発明の放熱基板６０の熱抵抗は０．２５９℃／Ｗと比較例の１／４以下であり、放熱性に優れていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明による放熱基板２０は、優れた放熱性が得られ、且つ、高密度実装が可能であるため、例えば、パワーアンプ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ、ＬＣＤバックライト用ＬＥＤモジュール等の電子部品モジュールに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る放熱基板の製造方法の一工程を示す図。
【図２】同、放熱基板の製造方法の他の一工程を示す図。
【図３】同、放熱基板の製造方法のさらに他の一工程を示す図。
【図４】同、放熱基板の製造方法のさらに他の一工程を示す図。
【図５】同、放熱基板の製造方法のさらに他の一工程を示す図。
【図６】同、放熱基板の製造方法のさらに他の一工程を示す図。
【図７】同、放熱基板の製造方法のさらに他の一工程を示す図。
【図８】本発明による放熱基板を用いて構成した半導体モジュールの縦断面図。
【図９】本発明による放熱基板を用いて構成した図８とは別の半導体モジュールの斜視図。
【図１０】従来例として示した放熱基板の構成を示す縦断面図。
【図１１】従来例として示した図１０とは別の放熱基板の構成を示す縦断面図。
【図１２】従来例として示した図１１とは別の放熱基板の構成を示す縦断面図。
【図１３】実施例として示した放熱基板の構成を示す縦断面図。
【図１４】比較例として示したアルミ絶縁基板の構成を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００５２】
１  金属板
２  エッチングレジスト
３  凸部
４  第１の凹部
５  第２の凹部
６  金属層
８  導体パターン（回路パターン、パッド）
９  金メッキ
１０  発熱素子（半導体ベアチップ）
１１  金属放熱体
１３  電子部品
２０  放熱基板
２１  第１の絶縁層（絶縁材）
２２  第２の絶縁層（絶縁材）
２３  第３の絶縁層
【図１】
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【図２】
2008251671.tif 000006
【図３】
2008251671.tif 000007
【図４】
2008251671.tif 000008
【図５】
2008251671.tif 000009
【図６】
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【図７】
2008251671.tif 000011
【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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