(57)【要約】【課題】  熱伝導の高い薄体片が樹脂内に存在する熱伝導シートにおいて、薄体片が熱の広がる範囲から位置ずれすることなく配置された熱伝導シートを有する放熱性基板を得ることを目的とする。【解決手段】  絶縁性の薄体片を樹脂組成体の内部に具備する熱伝導シートと、熱伝導シートの一方の面に接して設けられたヒートシンクと、熱伝導シートの他方の面に接して設けられたベース板とを備え、ヒートシンクの熱伝導シートに接する面およびベース板の熱伝導シートに接する面の少なくとも一方に薄体片の全体、一部、または、それぞれが収まるような薄体片の位置ずれを防止するため凹部を設ける。【選択図】  図２
2008066374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の薄体片を樹脂組成体の内部に具備する熱伝導シートと、
前記熱伝導シートの一方の面に接して設けられたヒートシンクと、
前記熱伝導シートの他方の面に接して設けられたベース板とを備え、
前記ヒートシンクの前記熱伝導シートに接する面および前記ベース板の前記熱伝導シートに接する面の少なくとも一方に前記薄体片が収まる凹部を有することを特徴とする放熱性基板。
【請求項２】
熱伝導シートに複数の薄体片を有し、ヒートシンクまたはベース板の前記熱伝導シートに接する面に、前記薄体片が複数集まったグループが収まる凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の放熱性基板。
【請求項３】
熱伝導シートに複数の薄体片を有し、ヒートシンクまたはベース板の前記熱伝導シートに接する面に、各々の前記薄体片に対応した独立した凹部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の放熱性基板。
【請求項４】
ヒートシンクまたはベース板の熱伝導シートに接する面に設けられた凹部の外周部に位置する凸部は少なくとも一部が切り離されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の放熱性基板。
【請求項５】
ヒートシンクまたはベース板の熱伝導シートに接する面に設けられた凹部の周辺部に前記凹部より深さが大きい溝を備えたことを特徴とする請求項１に記載の放熱性基板。
【請求項６】
ヒートシンクまたはベース板の熱伝導シートに接する面に設けられた凹部の底面に前記凹部の中央から周辺に向けて前記凹部の深さが増加する傾斜を有することを特徴とする請求項１に記載の放熱性基板。
【請求項７】
ヒートシンクまたはベース板の熱伝導シートに接する面に設けられた凹部の深さが前記薄体片の厚さの２０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の放熱性基板。
【請求項８】
ヒートシンクまたはベース板の熱伝導シートに接する面に設けられた凹部の面積が前記薄体片の総面積の１０４％以上１４４％以下であることを特徴とする請求項１に記載の放熱性基板。
【請求項９】
熱伝導シートの複数の薄体片は０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の厚さのセラミックス板からなることを特徴とする請求項１に記載の放熱性基板。
【請求項１０】
熱伝導シートの薄体片の表面上の重心を通る同平面上の任意の全ての直線で分けられた両側において、前記薄体片の少なくとも一部はヒートシンクと重畳されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の放熱性基板。
【請求項１１】
絶縁性の薄体を粘着シートに貼付する工程と、
前記粘着シートに貼付された状態で前記薄体を分割し薄体片とする工程と、
凹部を有するベース板に第一の樹脂シートを配置し接着する工程と、
前記粘着シートに貼付された前記薄体片を前記ベース板の前記凹部の内側の所定の位置に配置し接着する工程と、
前記粘着シートを前記粘着シートに貼付された前記薄体片から剥がす工程と、
第二の樹脂シートとヒートシンクとを前記薄体片上に配置する工程と、
前記第一および第二の樹脂シートを圧力をかけながら高温で硬化させる工程とを備えたことを特徴とする放熱性基板の製造方法。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の放熱性基板と、前記放熱性基板の一方の面のヒートシンク上に配置されたパワー半導体素子と、前記放熱性基板の他方の面のベース板上に配置されたヒートスプレッダとを備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体素子等の発熱体からの放熱を容易にする放熱性基板および放熱性基板の製造方法、ならびに、この放熱性基板を用いたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子を内部に有するパワーモジュールは、大電流が流れるパワー半導体素子の発熱の影響で温度が上昇しパワー半導体素子の動作が不安定になることがある。そこで、これを防ぐために放熱を容易にする構造を採用し、パワーモジュールの温度上昇を抑制している。
【０００３】
例えば、パワー半導体素子が実装されたリードフレームの、パワー半導体素子が実装された面の反対面に、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＢｅＯ等、絶縁性および熱伝導性に優れたセラミックス板を接着剤により接着させたものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
熱伝導性に優れたセラミックス板は接着剤等によりヒートスプレッダまたはリードフレーム等に接着して用いられるが、セラミックス板は、パワー半導体素子等の発熱体からの発熱によりヒートスプレッダまたはリードフレームとの熱膨張率の差等による応力を受けて接着剤との界面で剥離し、発熱体からの熱の伝導が阻害されるという問題があった。
【０００５】
また、熱伝導性に加えて絶縁性および可とう性を合わせ持たせるため、高分子フィルム内に熱伝導性に優れたセラミックスの多面体を複数配置し、熱伝導性を高めた複合セラミックスシートがある（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１５６２５３号公報（第３頁）
【特許文献２】特開平９−３１４７４７号公報（第６頁〜第７頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
複合セラミックスシートは、ヒートスプレッダまたはリードフレームに接着した場合、セラミックスの多面体間の樹脂組成体によりヒートスプレッダまたはリードフレームとの接着性は向上するものの、ベース板またはヒートシンクと接着させる際に通常加熱しながらプレス処理を行なうため、複合セラミックスシート中のセラミックス多面体の位置ずれが生じる場合がある。セラミック多面体の位置がずれると、所望の放熱性が得られなくなるという課題があった。
【０００８】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、優れた熱伝導性を有する放熱性基板、および、これを用いたパワーモジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る放熱性基板は、絶縁性の薄体片を樹脂組成体の内部に具備する熱伝導シートと、熱伝導シートの一方の面に接して設けられたヒートシンクと、熱伝導シートの他方の面に接して設けられたベース板とを備え、ヒートシンクの熱伝導シートに接する面およびベース板の熱伝導シートに接する面の少なくとも一方に、薄体片が収まる凹部を有するものである。
【００１０】
また、本発明に係る放熱性基板の製造方法は、絶縁性の薄体を粘着シートに貼付する工程と、粘着シートに貼付された状態で薄体を分割し薄体片とする工程と、凹部を有するベース板に第一の樹脂シートを配置し接着する工程と、粘着シートに貼付された薄体片をベース板の凹部の内側の所定の位置に配置し接着する工程と、粘着シートを粘着シートに貼付された薄体片から剥がす工程と、第二の樹脂シートとヒートシンクとを薄体片上に配置する工程と、第一および第二の樹脂シートを圧力をかけながら高温で硬化させる工程とを備えたものである。
【００１１】
また、本発明に係るパワーモジュールは、本発明の放熱性基板と、放熱性基板の一方の面のヒートシンク上に配置されたパワー半導体素子と、放熱性基板の他方の面のベース板上に配置されたヒートスプレッダとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
薄体片の位置ずれを防止して薄体片を所望の位置に配置することができ、優れた熱伝導性を有した放熱性基板を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における放熱性基板の概略構成を示す上面からの透視図である。また、図２は本発明の実施の形態１における放熱性基板１の概略構成を示す断面図であり、図１のａ−ｂ線断面における放熱性基板１の断面図である。
【００１４】
図１および図２に示すように、本実施の形態における放熱性基板は薄体片３１を樹脂組成体２１の内部に具備する熱伝導シート２を備えており、熱伝導シート２がベース板４とヒートシンク５との間に設けられている。ベース板４には複数の薄体片３１を収める凹部４１が形成されており、凹部４１の外周部は凸部４０となっている。凸部４０はべース板４表面の凹部４１を除く全ての領域に及んでいる。熱伝導シート２には薄体片３１の上面および下面にも樹脂組成体２１が連続して設けられ樹脂層２２を形成している。なお、樹脂層２２は薄体片３１の熱伝導性を損なわないために薄体片３１に比べて非常に薄く設けるが説明をわかりやすくするために図２では厚く記載している。
ベース板４およびヒートシンク５は銅等の導電性金属材料で構成されており、ヒートシンク５は放熱の機能とともに電極としての電気伝導機能も備えている。
【００１５】
次に、本実施の形態に関わる放熱性基板の製造方法を図３を用いて順を追って説明する。まず、図３（ａ）に示すように、絶縁性の薄体３０を粘着シート１１に貼付する。次に、図３（ｂ）に示すように図３（ａ）の薄体３０を粘着シート１１に貼付した状態で分割し薄体片３１とする。続いて、あらかじめ凹部４１に樹脂シート２５を接着しておいたベース板４に粘着シート１１に貼付された薄体片３１を対向させ、薄体片３１をベース板４の凹部４１の内側の所定の位置に配置し接着する。薄体片３１から粘着シート１１を剥離後、図３（ｄ）に示すように薄体片３１の上部に別の樹脂シート２６とヒートシンク５を配置する。図３（ｄ）に示した構造をベース板４およびヒートシンク５間に圧力をかけながら加熱することにより樹脂シート２５、２６を溶融、硬化させ、図３（ｅ）に示す放熱性基板を得る。
【００１６】
本実施の形態に係わる放熱性基板の熱伝導シート２は、図１及び図２に示すように複数の薄体片３１を具備したものでもよいが、たとえば放熱性基板の面積が小さなものでは必ずしも薄体片３１を複数とする必要はなく、薄体片３１は単数でもよい。
【００１７】
また、本実施の形態に係わる放熱性基板の熱伝導シート２の中にある絶縁性の薄体片３１としては、熱伝導性を有するセラミックスシートが用いられる。セラミックス材料としては、１０Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有する材料であれば特に限定されるものではないが、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料を用いることが好ましい。また、薄体片３１としては、例えば窒化アルミニウムの表面に酸化膜であるアルミナがコーティングされたものなど、複数の材料からなるものでも良い。
【００１８】
本実施の形態に係わる放熱性基板の熱伝導シート２における薄体片３１間の間隔は、０．１ｍｍ以上、３ｍｍ以下であることが好ましい。薄体片３１と樹脂組成体２１を比較すると薄体片３１の方が熱伝導率が高いので、上面から見たときの薄体片３１の面積比率が高いほど放熱性基板の熱伝導率が高くなる。したがって、薄体片３１間の間隔が狭い方が放熱性基板の熱伝導率が高くなるため好ましいが、薄体片３１間の間隔が狭すぎると薄体片３１の間に樹脂組成体２１が入り込むことが困難となり熱伝導シート２の中に空隙が残るので、絶縁耐圧が低下する。このため、薄体片３１の間隔は０．１ｍｍ以上であることが好ましい。反対に、薄体片３１間の間隔が３ｍｍを越えると放熱性基板の熱抵抗が高くなる。
【００１９】
本実施の形態に係わる放熱性基板の熱伝導シート２の薄体片３１の厚さは０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度が良い。薄体片３１が薄い方が放熱性基板の熱抵抗が小さくなるため、薄体片３１の厚さは０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度がより好ましい。また、薄体片３１の面方向の大きさは、放熱性基板のクラック防止と絶縁耐圧および熱伝導性の確保の観点から、３ｍｍ角以上３０ｍｍ角以下であることが望ましい。薄体片３１が複数の場合、薄体片３１の面方向の大きさが小さい方が応力を緩和することができクラック防止には有利であるが、薄体片３１の面方向の大きさが３ｍｍ角以下の場合、熱伝導シート２中の樹脂組成体２１の占める体積割合が多くなることにより放熱性基板１の熱抵抗が大きくなり、また、樹脂組成体２１と薄体片３１との界面の密度が増加することより絶縁破壊の発生確率が高まり絶縁耐圧が低下する。また、剛性の高いセラミックスシートである薄体片３１の面方向の大きさが３０ｍｍ角以上と大きくなると、製造工程中や使用時の衝撃や応力などによって薄体片３１にクラックが生じる可能性が高くなる。
【００２０】
本実施の形態に係わる放熱性基板の熱伝導シート２の樹脂組成体２１は主に樹脂組成物で構成され、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーンゴム等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン、ポリイミド、アクリル系の熱可塑性樹脂等が用いられる。また、前記樹脂組成物に、さらに、熱伝導性の良いアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の無機フィラーを充填したものであっても良い。無機フィラーを充填した樹脂組成体２１は、その熱伝導性が向上し、セラミックス材料の薄体片３１との熱応力も低減できるため好ましい。上記フィラーの径は１〜１００μｍであることが好ましく、樹脂層２２となる樹脂の最終的な厚さ以下の径のものを用いる。
また、薄体片３１の上面および下面に形成される樹脂層２２の厚さは、熱伝導シート２の熱伝導性増加のためには薄い方が良いが、接着性の向上のためには厚い方が良い。そのため、樹脂層２２の厚さは、薄体片３１の上下合わせて薄体片３１の厚さの１／７〜１／２０程度が良い。
【００２１】
本実施の形態に係わる放熱性基板のベース板４の凹部４１の深さは、薄体片３１の厚さの２０％〜８０％であることが望ましい。凹部４１の深さが薄体片３１の厚さの２０％以下の場合、プレス処理中の樹脂のながれを抑制できず薄体片３１の位置ずれが生じる。反対に、凹部４１の深さが薄体片３１の厚さの８０％以上の場合、製造時に樹脂組成体２１に空隙が残り絶縁耐圧の低下が懸念される。
【００２２】
本実施の形態に係わる放熱性基板のベース板４の凹部４１の面積は薄体片３１の総面積の１０４％以上、１４４％以下であることが望ましい。凹部４１の面積が薄体片３１の総面積の１０４％以下の場合、凹部４１の側面と薄体片３１の間隔、及び、薄体片３１が複数の場合は隣接する薄体片３１間の間隔が狭くなるため、樹脂が入り込み難くなるので樹脂組成体２１に空隙が発生しやすく、熱伝導性確保の点で望ましくない。また、凹部４１の面積が薄体片３１の総面積の１４４％を超える場合、隣接する薄体片３１の間隔、及び、ベース板４の凹部４１の側面と薄体片３１の間隔が広くなるため、樹脂が流れてしまい位置ずれが生じやすくなる。このため、凹部４１の面積は薄体片３１の総面積の１０４％から１４４％であることが望ましい。
【００２３】
本実施の形態に係わる放熱性基板のベース板４に設ける凹部４１は、機械加工を行なって得るのが寸法面内均一性の点から望ましいが、その他にも研磨、エッチングによって形成することも可能である。
【００２４】
本実施の形態に係わる放熱性基板の製造方法において薄体３０を分割し配置する方法としては、あらかじめ薄体３０を薄体片３１に分割しておき、一旦所望の間隔を有するパレットに薄体片３１を並べ、パレット上に並んだ薄体片３１を吸引して樹脂シート２５上に移しかえる方法をとることもできる。また、薄体３０であるセラミックシートを粘着シート１１であるダイシングシートに接着して所望の大きさにカットし、ダイシングシートを拡張して薄体片３１の間隔を所望の間隔まで広げた状態で樹脂シート２５上に薄体片３１を貼り付ける方法をとることもできる。
【００２５】
本発明の実施の形態１によれば、ベース板４に設けられた凹部４１の効果により、熱伝導シート２の中の絶縁性の薄体片３１を所定の位置に配置する際に、加熱プレス工程中に薄体片３１が樹脂と共に流動し薄体片３１の位置ずれが発生することを防止でき、また、樹脂組成体２１中の空隙の発生を抑制できる。従って、熱伝導性、可とう性、および絶縁性に優れた放熱性基板を得ることができる。
【００２６】
なお、本実施の形態において、放熱性基板１のベース板４の表面に設けられた凹部４１は、図１のように複数の薄体片３１全てを収められるものを示したが、図４および図５に示すように、ベース板４の表面に設けられた凹部４１は、複数の薄体片３１全てではなく複数の薄体片３１のグループを収められるものとしても良い。また、図６に示すように、凹部４１は個々の薄体片３１を独立して収められるものとしても良い。
【００２７】
また、図７に示すように、薄体片３１を収める凹部５１は、ヒートシンク５の表面に設けても良く、また、ベース板４およびヒートシンク５の両方の表面に設けてもよい。
【００２８】
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２における放熱性基板の概略構成を示す上面からの透視図である。本実施の形態における放熱性基板は薄体片３１を樹脂組成体の内部に具備する熱伝導シート２を備えており、熱伝導シート２がベース板４とヒートシンク５との間に設けられている。図８に示すように、ベース板４には複数の薄体片３１を収める凹部４１が形成されており、凹部４１の外周部は離散的に形成された複数の凸部４０となっている。これ以外の構成および製造方法は、実施の形態１に示したものと同様であるので、説明を省略する。
【００２９】
本発明の実施の形態２によれば、ベース板４に離散的に設けられた凸部４０の効果により、熱伝導シート２の中の絶縁性の薄体片３１を所定の位置に配置する際に薄体片３１の位置ずれを防止でき、更に、プレス処理時の圧力を逃がす効果が生じるため、樹脂組成体２１中の空隙の発生をより有効に抑制できる。従って、熱伝導性、可とう性、および絶縁性に優れた放熱性基板を得ることができる。
【００３０】
なお、本実施の形態において、放熱性基板１のベース板４の表面に設けられた凸部４０は薄体片３１全体の外周部に設けたものを示したが、凸部４０は各々の薄体片３１の外周部に対応して設けてもよい。また、凸部４０は複数の薄体片３１のグループの外周部に設けても良い。
【００３１】
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３における放熱性基板の概略構成を示す断面図である。
図９に示すように、本実施の形態の放熱性基板は、熱伝導性を有する薄体片３１が樹脂組成体２１により接着された熱伝導シート２を備えており、熱伝導シート２がベース板４とヒートシンク５の間に設けられている。ベース板４には薄体片３１が収まるように凹部４１が形成されており、凹部４１の底面の周辺部に凹部４１の底面よりもう一段深さが大きい溝４２が設けられていることの他は実施の形態１に示したものと同様であるので説明を省略する。
【００３２】
本実施の形態においても、熱伝導シート２の中の絶縁性の薄体片３１を所定の位置に配置する際に加熱プレス工程中に薄体片３１が樹脂と共に流動し薄体片３１の位置ずれが発生することを防止でき、更に、ベース板４の凹部４１の底部に設けられた溝４２によりプレス処理時の圧力を逃がす効果が生じるため、樹脂組成体２１中の空隙の発生をより有効に抑制できる。したがって、熱伝導性、可とう性、および絶縁性に優れた放熱性基板を得ることができる。
【００３３】
実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４における放熱性基板１の概略構成を示す断面図である。
図１０に示すように、本実施の形態の放熱性基板は、熱伝導性を有する薄体片３１が樹脂組成体２１により接着された熱伝導シート２を備えており、熱伝導シート２がベース板４とヒートシンク５の間に設けられている。ベース板４には薄体片３１が収まるように凹部４１が形成されており、凹部４１の底面に凹部４１の周辺ほど凹部４１の深さが増加する傾斜面を形成することの他は実施の形態１に示したものと同様であるので説明を省略する。
【００３４】
本実施の形態においても、熱伝導シート２の中の絶縁性の薄体片３１を所定の位置に配置する際に加熱プレス工程中に薄体片３１が樹脂と共に流動し薄体片３１の位置ずれが発生することを防止でき、更に、ベース板４の凹部４１の底部に設けられた傾斜面により、プレス処理時の圧力を逃がす効果が生じるため、樹脂組成体２１中の空隙の発生をより有効に抑制できる。従って、熱伝導性、可とう性、および絶縁性に優れた放熱性基板を得ることができる。
【００３５】
なお、実施の形態３および実施の形態４において放熱性基板１中の薄体片３１が単数である例を図示したが、放熱性基板中の薄体片３１は複数であっても良い。
【００３６】
実施の形態５．
図１１は、本発明の実施の形態５における放熱性基板の概略構成を示す断面図である。また、図１２は、本発明の実施の形態５の放熱性基板の、薄体片３１とヒートシンク５の重なりの関係の一部を、放熱性基板の上面から透視したものである。
図１１に示すように、本実施の形態の放熱性基板は熱伝導性を有する複数の薄体片３１が樹脂組成体２１により接着された熱伝導シート２を備えており、熱伝導シート２がベース板４と複数のヒートシンク５の間に設けられている。ベース板４には薄体片３１が収まるように凹部４１が形成されている。薄体片３１は、ヒートシンク５と完全に重畳しているか、あるいは、複数のヒートシンク５と重畳しており、上面から見た図１２（ａ）、（ｂ）に示す通り、薄体片３１の表面上の重心３１１を通る同平面上の任意の直線を引いた全ての場合に、この直線で分けられた両側においてその薄体片３１の少なくとも一部がヒートシンク５と重畳されるように薄体片３１とヒートシンク５が配設されている。
【００３７】
本実施の形態によると、プレス加工時に薄体片３１にかかる圧力に大きく偏りが発生しないため、プレス加工時に薄体片３１の浮き上がりを防止でき薄体片３１の位置ずれを防止できる。
【００３８】
図１３は、本発明の実施の形態と比較するための、薄体片３１とヒートシンク５の重なりの関係を放熱性基板の上面から見た透視図である。図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、薄体片３１の表面上の重心３１１を通る同平面上にある直線を引き、この直線で分けられた少なくとも片側において前記ヒートシンク５と薄体片３１が重畳していないように薄体片３１とヒートシンク５が配設される場合は、プレス加工時に薄体片３１にかかる圧力に大きく偏りが発生するため、放熱性基板の製造工程におけるプレス加工時に薄体片３１の位置ずれが発生する可能性がある。
【００３９】
実施の形態６．
図１４は、本発明の実施の形態６におけるパワーモジュール７の概略構成を示す断面図であり、実施の形態１の放熱性基板１を用いたものである。
本実施の形態のパワーモジュール７は、発熱体となるパワー半導体素子６が放熱性基板１のヒートシンク５上に搭載され、パワー半導体素子６上部の電極１２と放熱性基板１のヒートシンク５はリードフレーム８と接続されており、上記構成部材がモールド樹脂９で封止されている。また、放熱性基板１のベース板４はヒートスプレッダ１０に接着されている。ここで、ヒートスプレッダ１０とは金属製の放熱構造を有するものである。放熱性基板１はベース板４とヒートシンク５の間に熱伝導シート２を備えたものであり、放熱性基板２は薄体片３１を樹脂組成体２１の内部に備えている。また、ベース板４の熱伝導シート２に接する面には凹部４１が設けられている。
【００４０】
本実施の形態において、使用中に動作が不安定になることを抑制したパワーモジュール７を得ることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態におけるパワーモジュールでは、放熱性基板１に実施の形態１のものを示したが、放熱性基板１としては実施の形態２ないし５のいずれかのものを用いても良い。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について薄体片３１の形状は正方形であることを前提に説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく、薄体片３１の形状は、長方形、三角形、六角形、または、不定形であっても良い。
【００４３】
次に、本発明における放熱性基板の製造方法と、それによって得られる放熱性基板について具体的に説明する。
【００４４】
実施例１〜５．
実施の形態１に関わる放熱性基板の一例として、薄体片が複数の放熱性基板およびその作製方法について述べる。放熱性基板を構成するベース板、薄体片、ヒートシンクは表面処理を行ったものを用いた。ベース板、ヒートシンクには銅を用いた。ベース板、ヒートシンク表面は酸処理を行い、その後シランカップリング処理および１１０℃、５分の加熱処理を行なった。ベース板に形成された３０×３３．３ｍｍの凹部に厚さ約１００μｍの樹脂シートを置き、その上に、薄体片として３ｍｍ角、厚さ０．３５０ｍｍの窒化アルミニウム板を０．３ｍｍの間隔で縦９列、横１０列ずつ並べた。薄体片と凹部端の間隔は０．３ｍｍとした。薄体片の表面処理としてはベース板と同様にシランカップリング処理を行なった。
【００４５】
薄体片を並べる方法としては、一旦所望の間隔を有するパレットに薄体片を並べ、パレット上に並んだ薄体片を吸引して樹脂シート上に移しかえる方法を用いた。樹脂組成体はエポキシ樹脂を用い、フィラーとしてアルミナを含有したものを用いた。
【００４６】
所望の間隔に並べた薄体片の上に、さらに厚さ１００μｍの樹脂シートとヒートシンクを配置し、１００ｋｇ／ｃｍ２の圧力、１００℃，５分および１８０℃，３０分の条件で真空プレスすることによって放熱性基板を得た。真空プレス後の樹脂層の厚さは上下それぞれ１５μｍであった。このとき、ベース板の凹部の面積は薄体片の総面積の１２３％であった。
ここで、実施例１における放熱性基板のベース板の凹部の深さは０．０７５ｍｍ、薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合は２１％とした。以下、実施例２〜５における凹部の深さ（薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合）は、それぞれ０．１ｍｍ（２９％）、０．１５ｍｍ（４３％）、０．２ｍｍ（５７％）、０．２５ｍｍ（７１％）とした。
【００４７】
実施例１〜５による放熱性基板の場合、薄体片の位置ずれ、および、樹脂組成体の空隙が発生しなかった。凹部の効果により、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれを防止でき、凹部の内部に絶縁性の薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。なお、実施例１〜５の放熱性基板の熱伝導率については、高分子材料にセラミックス多面体を配置した複合セラミックスシートの約１．３倍と高いものが得られた。
【００４８】
実施例６．
実施の形態１に関わる放熱性基板の一例として、放熱性基板は、薄体片間の間隔および薄体片と凹部端の間隔を０．５ｍｍ、薄体片の総面積に対するベース板の凹部の面積を１４０％とした。上記以外の条件は実施例２と同じとした。
【００４９】
実施例６による放熱性基板の場合、薄体片の位置ずれ、および、樹脂組成体の空隙が発生しなかった。凹部の効果により、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれを防止でき、凹部の内部に絶縁性の薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。
【００５０】
実施例７〜８．
実施の形態１に関わる放熱性基板の一例として、薄体片が１個の場合の放熱性基板について述べる。
放熱性基板を構成するベース板、薄体片、ヒートシンクに表面処理を行い、凹部を形成したベース板に樹脂シートを置き、その上に薄体片として３０ｍｍ角、厚さ０．３５０ｍｍの窒化アルミニウム板を１枚置いた。その上に１００μｍ厚さの樹脂シートを乗せて、凹部を有するヒートシンクを所定の位置に置き、真空プレスを行い放熱性基板を得た。凹部の深さは０．１ｍｍで形成したので、この時薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合は２９％であった。樹脂組成体はエポキシ樹脂を用い、フィラーとしてアルミナを含有したものを用いた。実施例７の場合、薄体片と凹部端までの距離を０．３ｍｍとし、ベース板の凹部の面積は薄体片３１の面積の１０４％であった。実施例８の場合、薄体片と凹部端までの距離を０．５ｍｍとし、ベース板の凹部の面積は薄体片の面積の１０７％であった。
【００５１】
実施例７〜８による放熱性基板の場合、薄体片の位置ずれ、および、樹脂組成体の空隙が発生しなかった。凹部の効果により、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれを防止でき、凹部の内部に絶縁性の薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。
【００５２】
実施例９〜１２．
実施の形態１に関わる放熱性基板の一例として、本実施例に係わる放熱性基板においては、薄体片の厚さおよび凹部の深さ以外の構成は実施例１と同様としたので、これらの説明は省略する。実施例９〜１２の放熱性基板では薄体片の厚さを０．６３５ｍｍとした。凹部４１の深さについては、実施例９の場合は凹部の深さを０．１５ｍｍとしたので薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合は２４％であった。実施例１０の場合は凹部の深さを０．２０ｍｍとしたので薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合は３１％であった。実施例１１の場合は凹部の深さを０．３０ｍｍとしたので薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合は４７％であった。実施例１２の場合は凹部の深さを０．３５ｍｍとしたので薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合は５５％であった。
【００５３】
実施例９〜１２による放熱性基板の場合、薄体片の位置ずれ、および、樹脂組成体の空隙が発生しなかった。凹部の効果により、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれを防止でき、凹部の内部に絶縁性の薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。
【００５４】
実施例１３．
実施の形態３に関わる放熱性基板の一例として、薄体片が１個の場合の実施例について述べる。放熱性基板を構成するベース板、薄体片、ヒートシンクの表面処理を行い、周辺部に溝を備えた凹部を形成したベース板に厚さ１００μｍの樹脂シートを置き、その上に薄体片として３０ｍｍ角、厚さ０．３５０ｍｍの窒化アルミニウムを１枚置いた。その上に厚さ１００μｍの樹脂シートを乗せて、ヒートシンクを所定の位置に置き、真空プレスを行い放熱性基板を得た。ベース板の凹部の面積は薄体片の総面積の１０４％、凹部の深さは０．１ｍｍとし、凹部の周辺に設けた溝の深さは０．２ｍｍとした。その他の構成は実施例１の放熱性基板と同様とした。
【００５５】
凹部の深さを場所によって変えることで樹脂とベース板との接着力を向上でき、凹部の効果で樹脂量をコントロールし、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれと樹脂組成体の空隙発生とを防止でき、凹部の内部に薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。
【００５６】
実施例１４．
実施の形態４に関わる放熱性基板の一例として、薄体片が１個の場合の実施例について述べる。放熱性基板を構成するベース板、薄体片、ヒートシンクの表面処理を行い、凹部の底面部に凹部の中央から周辺に向けて凹部の深さが増加する傾斜有する凹部を形成したベース板に厚さ１００μｍの樹脂シートを置き、その上に薄体片として３０ｍｍ角、厚さ０．３５０ｍｍの窒化アルミニウムを１枚置いた。その上に厚さ１００μｍの樹脂シートを乗せて、ヒートシンクを所定の位置に置き、真空プレスを行い放熱性基板を得た。ベース板の凹部の面積は薄体片の総面積の１０４％、凹部の深さは浅い箇所で０．１ｍｍとした。その他の構成は実施例１の放熱性基板と同様とした。
【００５７】
ベース板の凹部底面に傾斜をつけることにより、凹部の効果で樹脂量をコントロールし圧力を逃がすことができたので、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれを防止でき、ベース板の凹部の内部の所定の位置に薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。
【００５８】
実施例１５．
実施の形態１に関わる放熱性基板の一例として、凹部がヒートシンクに設けられた場合の実施例について述べる。実施例１と同様に、放熱性基板を構成するベース板、薄体片、ヒートシンクの表面処理を行い、凹部のないベース板に厚さ１００μｍの樹脂シートを置き、その上に１０×３０ｍｍ角で、厚さ０．３５０ｍｍの窒化アルミニウムを２枚置いた。その上に厚さ１００μｍの樹脂シートを乗せて、１０．６×３０．６ｍｍの凹部を有するヒートシンクを所定の位置に置き、真空プレスを行い放熱性基板を得た。ヒートシンクの凹部の面積は薄体片の総面積の１０８％、凹部の深さは０．１ｍｍで形成した。樹脂組成体はエポキシ樹脂を用い、フィラーとしてアルミナを含有したものを用いた。
【００５９】
実施例１５による放熱性基板の場合、薄体片の位置ずれ、および、樹脂組成体の空隙が発生しなかった。凹部の効果により、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれを防止でき、凹部の内部に絶縁性の薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。
【００６０】
実施例１６．
実施の形態１に関わる放熱性基板の一例として、凹部が各薄体片に対応して設けられた場合の実施例について述べる。放熱性基板を構成するベース板、薄体片、ヒートシンクの表面処理を行い、０．３ｍｍ間隔で３．６ｍｍ角の凹部（縦９列、横１０列）を形成したベース板に厚さ１００μｍの樹脂シートを置き、それぞれの凹部に薄体片として３ｍｍ角、厚さ０．３５ｍｍの窒化アルミニウムを置いた。その上に厚さ１００μｍの樹脂シートを乗せて、ヒートシンクを所定の位置に置き、真空プレスを行ない放熱性基板を得た。各凹部の面積はそれぞれの薄体片の面積の１４４％、凹部の深さは０．１ｍｍとした。樹脂組成体は、エポキシ樹脂を用い、フィラーとしてアルミナを含有したものを用いた。
【００６１】
実施例１６による放熱性基板の場合、薄体片の位置ずれ、および、樹脂組成体の空隙が発生しなかった。各薄体片に対応して設けられた凹部の効果により、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれを防止でき、凹部の内部に絶縁性の薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。
【００６２】
実施例１７．
実施の形態５に関わる放熱性基板の一例として、薄体片が複数のヒートシンクと重畳している放熱性基板の実施例について述べる。
実施例２と同様に、放熱性基板を構成するベース板、薄体片、ヒートシンクの表面処理を行い、ベース板に形成された凹部に約１００μｍの厚さの樹脂シートを置き、その上に薄体片として３ｍｍ角、厚さ０．３５０ｍｍの窒化アルミニウム板を０．３ｍｍの間隔で縦９列、横１０列に並べた。その上に１００μｍ厚さの樹脂シートをのせて、ヒートシンクを所定の位置に置き、真空プレスを行い放熱性基板を得た。この際、ヒートシンクとヒートシンクの間に必ず１枚の薄体片があるようにヒートシンクの位置を決めた。ヒートシンク間に必ず１枚の薄体片を存在させることにより、均等に真空プレスの圧力がかかり、薄体片が傾斜するのを防止することができる。樹脂組成体はエポキシ樹脂を用い、フィラーとしてアルミナを含有したものを用いた。
【００６３】
実施例１７による放熱性基板の場合、薄体片の位置ずれ、および、樹脂組成体の空隙が発生しなかった。凹部およびヒートシンクと薄体片の配置の効果により、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれを防止でき、凹部の内部に絶縁性の薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。
【００６４】
実施例１８．
実施の形態６に関わるパワーモジュールの一例として、実施例１の放熱性基板を用いて作製したパワーモジュールの実施例について述べる。実施例２の放熱性基板のヒートシンク上にパワー半導体素子を設置し、放熱性基板のヒートシンクとパワー半導体素子上部の電極にリードフレームを接続後に樹脂でモールドし、また、放熱性基板のベース板にヒートスプレッダを接着し、パワーモジュールを得た。
【００６５】
実施例２の放熱性基板を用いて作製した本実施の形態のパワーモジュールに対して、「−４０℃での３０分間保持と１２５℃での３０分間保持」を１サイクルとして、３００サイクルを施したヒートサイクル試験を施したところ、放熱性基板におけるベース板と樹脂層、ヒートシンクと樹脂層、熱伝導シート内の薄体片と樹脂層の剥離は認められず放熱性を維持することができ、高容量化が可能となった。
【００６６】
比較例１〜４．
実施の形態１に係る放熱性基板の比較例として、薄体片の厚さを０．６３５ｍｍとし、ヒートシンク表面に設けられた凹部の深さが０．０５ｍｍ、薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合が１４％である比較例１の放熱性基板を作製した。また、比較例２として、凹部の深さが０．０５ｍｍ、薄体片の厚さが０．６３５ｍｍ、薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合が８％の放熱性基板を、比較例３として、凹部の深さが０．０７５ｍｍ、薄体片の厚さが０．６３５ｍｍ、薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合が１２％の放熱性基板を、比較例４として、凹部の深さが０．１０ｍｍ、薄体片の厚さが０．６３５ｍｍ、薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合が１６％の放熱性基板を、それぞれ作製した。上記以外は実施例１と同じとした。
【００６７】
比較例１〜４による放熱性基板の場合、樹脂組成体の空隙は発生しなかったが、薄体片の位置ずれが発生した。
【００６８】
比較例５．
比較例として、放熱性基板の凹部の深さを０．３ｍｍとする以外は実施例１と同じ放熱性基板を作製した。このとき薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合は８６％であった。
【００６９】
比較例５による放熱性基板の場合、薄体片の位置ずれは発生しなかったが、樹脂組成体に空隙が発生した。
【００７０】
表１に実施例１ないし実施例１２および比較例１ないし比較例５の結果をまとめた。表１に示されるように、薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合が２０％以下の場合には薄体片の位置ずれが発生し、８０％以上の場合には樹脂組成体に空隙が発生したが、薄体片の厚さに対する凹部の深さの割合が２０〜８０％のものでは、プレス時の樹脂流れによる薄体片の位置ずれを防止でき、凹部の内部に絶縁性の薄体片を配置した放熱性基板を得ることができた。
【００７１】
【表１】
2008066374.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１における放熱性基板の概略構成を示す上面からの透視図である。
【図２】本発明の実施の形態１における放熱性基板の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における放熱性基板の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における放熱性基板の概略構成を示す上面からの透視図である。
【図５】本発明の実施の形態１における放熱性基板の概略構成を示す上面からの透視図である。
【図６】本発明の実施の形態１における放熱性基板の概略構成を示す上面からの透視図である。
【図７】本発明の実施の形態１における放熱性基板の概略構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２における放熱性基板の概略構成を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３における放熱性基板の概略構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４における放熱性基板の概略構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５における放熱性基板の一部の概略構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態５における放熱性基板の一部の概略構成を示す上面からの透視図である。
【図１３】本発明の実施の形態５との比較のための放熱性基板の一部の概略構成を示す上面からの透視図である。
【図１４】本発明の実施の形態６におけるパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  放熱性基板、２  熱伝導シート、２１  樹脂組成体、２２  樹脂層、２５，２６  樹脂シート、３０  薄体、３１  薄体片、３１１  薄体片表面の重心点、４  ベース板、４０  凸部、４１  凹部、４２  溝、５ヒートシンク  、５１  凹部、６  パワー半導体素子、７  パワーモジュール、８  リードフレーム、９  モールド樹脂、１０  ヒートスプレッダ、１１  粘着シート、１２  電極
【図１】
2008066374.tif 000004
【図２】
2008066374.tif 000005
【図３】
2008066374.tif 000006
【図４】
2008066374.tif 000007
【図５】
2008066374.tif 000008
【図６】
2008066374.tif 000009
【図７】
2008066374.tif 000010
【図８】
2008066374.tif 000011
【図９】
2008066374.tif 000012
【図１０】
2008066374.tif 000013
【図１１】
2008066374.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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