(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方面に、周囲を側壁により囲まれた複数の凹部が設けられた放熱板と、
前記放熱板の一方面に配置されたリードフレームと、
無機フィラーと樹脂成分とを含む混合物からなり、前記放熱板の一方面と前記リードフレームとの間に介装されるとともに前記凹部の内部、および前記リードフレームのフレーム間隙間に充填された絶縁層と、
を有し、
前記凹部に対向する前記リードフレーム領域に駆動回路が実装され、かつ、前記側壁が存在する領域に対向する前記リードフレーム領域に電力変換回路が実装されたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
複数設けた前記凹部のうちの少なくとも一つには、他の凹部に設けた絶縁層とは異なる誘電率を有する絶縁層を設けることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
複数設けた前記凹部のうちの少なくとも一つには、他の凹部に設けた絶縁層とは熱伝導度の異なる絶縁層を設けることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記側壁と前記リードフレームとの間に介在させる前記絶縁層の厚みを０．０２ｍｍから２．００ｍｍの範囲にすることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記放熱板が、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルから選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属であることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記放熱板は、その表面をニッケル、錫、はんだ合金の少なくとも１種類を用いためっき処理、および／または粗化処理されたものであることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記無機フィラーとして、アルミナ、シリカ、マグネシア、窒化アルミニウム、および窒化ホウ素のうちから選ばれた少なくとも一つを含むものを用いることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記絶縁層の熱硬化性樹脂として、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂もしくはシアネート系樹脂のうちの少なくとも一つを含むものを用いることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高放熱性を付加したパワーモジュールに関するものであり、基板の高付加価値と製造コストの改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器における著しい小型軽量化に伴い、電子機器を支える部品は年を追う毎に小型化が進み、特に半導体集積化や高密度実装に関する技術によりＩＣ化が進み、さらには部品の実装形態そのものを変革するものへと至っている。しかしながら、パワーモジュールに代表される電力変換回路では、局所的に多くの発熱量を伴い、放熱板や放熱フィンを用いて熱を外部に逃す必要があるため、他の電子機器用部材と比較して小型・軽量化が著しく困難となっていた。
【０００３】
放熱性を考慮した回路基板として、セラミック基板に銅板をダイレクトに接合した回路基板や、アルミニウムなどの金属基板の片面もしくは両面に絶縁層を介して回路パターンを形成する金属ベース基板が知られている。
【０００４】
さらには、近年、熱可塑性樹脂に熱伝導性フィラーを充填した組成物を電極であるリードフレームと一体化した射出成形による熱伝導モジュールが提案されている。さらにまた、熱硬化性樹脂中に熱伝導性のよいフィラーを充填した樹脂組成物とリードフレームとをシート工法（シート状にした樹脂組成物にリードフレームを当てつけ、両者に圧力を加えて一体化する工法）により一体化した回路基板が提案されている。
【０００５】
上記シート工法による製法は、無機質フィラーと熱硬化性樹脂とを少なくとも含む熱伝導樹脂組成物スラリーをシート状に造膜して熱伝導基板用シート状物を作製し、乾燥後リードフレームと重ね合わせ、加熱加圧して熱伝導基板用シート状物を硬化させ、熱伝導樹脂硬化物とした回路基板を作製するというものである。この製法によれば、熱伝導度を飛躍的に向上させるだけではなく、機械的強度の向上が得られる。また、絶縁樹脂混合物をシート化することにより基板の多層化に対しても柔軟に対応できるという特徴がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電子機器においては高密度で高付加価値を有する基板の開発が求められているため、より以上の高熱伝導性を発揮する回路基板が要望されている。
【０００７】
また、このようなシート状樹脂を用いた熱伝導基板においては、用いるシート樹脂やフィラー充填率は一様に同じであることを特徴としている。しかしながら近年の電子機器においては上述した理由により、より高熱伝導性を有する回路基板が必要不可欠となる。例えば半導体パワーモジュールにおいて、電力変換回路には、高熱伝導度を有する材料が必要である。これに対して、半導体素子を動作させる駆動回路においては、電流容量よりも伝搬速度やノイズに対する信頼性が求められるため、誘電率や誘電正接等の特性において優れた材料の充填が求められる。これは、誘電体に電界をかけると分極をおこすが、これが高周波になると分極の動きが電界の時間変化に追従できなくなり、これが損失となって現れるためである。
【０００８】
以上のような理由により、実際の回路設計においては、熱伝導度を高くすると無機フィラーの充填量が増加する等の理由により製造コストが高くなる。さらには、熱伝導度を優先させて無機フィラーの充填量を上げると、他の成分の含有比率を下げざるを得ず、そのために、比較的大量の無機フィラー充填量を必要とする高い熱伝導度と、その他の特性とを両立させることが容易ではなかった。
【０００９】
したがって、本願発明は、熱伝導性の向上、製造コストと特性との両立、および異なる特性の両立を図ることができるパワーモジュールの提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、一方面に、周囲を側壁により囲まれた複数の凹部が設けられた放熱板と、前記放熱板の一方面に配置されたリードフレームと、無機フィラーと樹脂成分とを含む混合物からなり、前記放熱板の一方面と前記リードフレームとの間に介装されるとともに前記凹部の内部、および前記リードフレームのフレーム間隙間に充填された絶縁層とを有し、前記凹部に対向する前記リードフレーム領域に駆動回路が実装され、かつ、前記側壁が存在する領域に対向する前記リードフレーム領域に電力変換回路が実装されてパワーモジュールを構成している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、一方面に、周囲を側壁により囲まれた複数の凹部が設けられた放熱板と、前記放熱板の一方面に配置されたリードフレームと、無機フィラーと樹脂成分とを含む混合物からなり、前記放熱板の一方面と前記リードフレームとの間に介装されるとともに前記凹部の内部、および前記リードフレームのフレーム間隙間に充填された絶縁層とを有し、前記凹部に対向する前記リードフレーム領域に駆動回路が実装され、かつ、前記側壁が存在する領域に対向する前記リードフレーム領域に電力変換回路が実装されてパワーモジュールを構成しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、凹部に絶縁層を充填することで、絶縁層は凹部の底部のみならず、その側壁とも接触するので、放熱板と絶縁層との間の接触面積が増大する。これにより、両者の機械的接着強度が高まるうえに、放熱板を介した放熱特性も改善される。
【００１２】
また配線パターンとして用いるリードフレームの厚さに任意に設定することができるので、その厚さを厚くすることで大電流を流すことが可能となり、大電力向けの基板に適応できる。
【００１３】
また、凹部を有する放熱板と絶縁層とリードフレームとからなる回路基板構造が、複数並列に配置されることになる。そのため、それぞれの回路基板構造毎に個別に回路構成を設けることが可能となり、回路設計上の自由度が増すことになる。
【００１４】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に係るパワーモジュールであって、複数設けた前記凹部のうちの少なくとも一つには、他の凹部に設けた絶縁層とは異なる誘電率を有する絶縁層を設けることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、凹部毎に個別に設けた回路構成に適した絶縁層を設けることができ、その分、各回路構成の特性がさらに良好なものとなる。
【００１５】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に係るパワーモジュールであって、複数設けた前記凹部のうちの少なくとも一つには、他の凹部に設けた絶縁層とは熱伝導度の異なる絶縁層を設けることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、例えば、電力変換回路と駆動回路とでは求められる基板特性が異なり、電力変換回路では、それ自身の発熱量が大きいために、高い熱伝導度が求められるのに対して、駆動回路では、信号伝搬速度やノイズに対する信頼性が求められるものの、高い熱伝導度はそれ程求められない。熱伝導度の調整は一般に無機フィラの充填量の増減制御により行なわれるが、無機フィラは比較的高価であるために、その充填量が製造コストに直接的に影響する。そこで、本発明では、凹部のうちの少なくとも一つには、他の凹部に設けた絶縁層とは熱伝導度の異なる絶縁層を設けることで、例えば、高い熱伝導度を求められる回路構成が搭載されるリードフレーム領域に対向する凹部にだけ選択的に、高い熱伝導度の絶縁層を設けることが可能となり、製造コストの無駄な上昇を引き起こすことなく、最適な特性を発揮するパワーモジュールを得ることができる。このように、本発明では、パワーモジュールの多機能化が可能であり、局所的な発熱を避けることが可能となる。
【００１７】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１に係るパワーモジュールであって、前記側壁と前記リードフレームとの間に介在させる前記絶縁層の厚みを０．０２ｍｍから２ｍｍの範囲にすることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、上記値が０．０２ｍｍ以下になると、リードフレームと側壁との間の浮遊容量が極端に大きくなってノイズが伝播し易くなる。一方、２ｍｍ以上になると、熱抵抗が高くなり放熱効率が極端に低下し、場合によっては回路基板上に実装した電子部品（半導体装置等）の発熱温度以上まで温度が上昇して、電子部品を破壊させることにもなりかねない。このことを考慮して絶縁層の厚みを０．０２ｍｍから２ｍｍの範囲に設定することで、ノイズに対する信頼性と放熱効率の維持とを両立させている。
【００１９】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに係るパワーモジュールであって、前記放熱板が、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルから選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属であることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、放熱板としてこのような材料の板材を用いることで、熱伝導を良好にして大電力に対応できるようになる。
【００２０】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに係るパワーモジュールであって、前記放熱板は、その表面をニッケル、錫、はんだ合金の少なくとも１種類を用いためっき処理、および／または粗化処理されたものであることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、このような処理を行うことで、金属酸化防止に有効なばかりでなく、絶縁層と放熱板とを成型一体化したときの両者の密着性をさらに向上させることができるようになる。
【００２１】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに係るパワーモジュールであって、前記無機フィラーとして、アルミナ、シリカ、マグネシア、窒化アルミニウム、および窒化ホウ素のうちから選ばれた少なくとも一つを含むものを用いることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、すなわち、アルミナ、窒化アルミニウムを用いた場合には、熱伝導性に優れたパワーモジュールとなる。また、マグネシアでは、熱伝導度が良好になり、かつ熱膨張整数を大きくすることができる。さらには、シリカ（特に、非晶質シリカ）であれば、熱膨張係数が小さく、かつ、軽量で誘電率の小さいパワーモジュールとすることができる。
【００２２】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載のパワーモジュールであって、前記絶縁層の熱硬化性樹脂として、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂もしくはシアネート系樹脂のうちの少なくとも一つを含むものを用いることに特徴を有しており、これにより次のような作用を有する。すなわち、これらの樹脂からなる絶縁シート材を硬化させてパワーモジュールを形成すれば、高温時における電気絶縁性に優れたパワーモジュールを得ることができる。特に、エポキシ系樹脂は、半導体封止樹脂やプリント基板等で良く知られているように、電気特性ばかりでなく、耐薬品性、機械的性能（強度等）に優れた材料である。
【００２９】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図面を参照して説明する。
【００３０】
まず、本実施形態における放熱板の製造方法を、図１を参照して説明する。図１（ａ）において、１０１は電気良導性の金属板である。金属板１０１としては、熱伝導性を考慮すると、例えば銅、鉄、アルミニウム、ニッケルから選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属から構成するのが好ましく、そうすれば大電力に対応することができる。また、金属板１０１は、０．１〜１．５ｍｍの厚みを有する一様な圧延板であることが好ましく、そうすれば、基板における放熱特性および機械的強度を向上させることが可能である。
【００３１】
図１（ｂ）において、１０２はレジスト膜であり、このレジスト膜１０２を金属板１０１の両面に形成する。図１（ｃ）において、１０３はフィルムマスクパターンであり、このフィルムマスクパターン１０３を金属板１０１の一方面側のレジスト膜１０２上に配置する。そして、金属板１０１の一方面（フィルムマスクパターン貼付面）に対して紫外線（ＵＶ）を照射して露光する。このとき、同時に金属板１０１のフレーム他方面（フィルムマスクパターン未貼付面）を全面露光する。
【００３２】
次いで、さらにレジスト膜１０２の現像を行う。レジスト膜１０２は、露光後、露光部分のみ硬化するので、現像によってレジスト膜１０２の非露光部を除去することで、図１（ｄ）に示すように、レジスト露光部１０５と、開口部１０４とを形成する。次に図１（ｅ）に示すように、レジスト露光部１０５を形成した金属板１０１の一方面をエッチングすることで、金属板１０１の一方面に任意の形状と深さを有し、周囲を側壁１０１ａにより囲まれた複数の凹部１０６Ａ、１０６Ｂを形成する。なお、図１では、二つの凹部１０６Ａ、１０６Ｂとしているが、さらに多数の凹部としてもよいし、単一の凹部としてもよいのはいうまでもない。
【００３３】
また、凹部１０６Ａ、１０６Ｂのうちの少なくとも一つ１０６Ｂには、放熱座１０８を設けている。放熱座１０８は、凹部１０６Ｂの内部にあって、凹部底部から凹部開口側に突出する台座形状をしており、側壁１０１ａと同等の高さ寸法を有している。つまり、放熱座１０８は他の凹部底部領域よりも凹部開口側に近接する突出体である。
【００３４】
ここで、凹部１０６の深さであるが、金属板１０１の厚み方向に対してその厚みの２０〜８０％以下の深さに形成するのが望ましいが、金属板１０１の厚みの半分とするのが一般的である。これは次のような理由による。
【００３５】
凹部１０６の深さを金属板１０１の厚みの２０％以下にすると、後述する絶縁シート材を十分に充填できなくなり、この金属板１０１（放熱板となる）と後述するリードフレームとの間の浮遊容量が大きくなって、ノイズが伝搬し易くなる。また凹部１０６の深さを金属板１０１の厚みの８０％以上とすれば、凹部１０６が深くなり過ぎて、金属板１０１を削り取るのに長時間を有し、経済的ではない。なお、この比率は３０〜６０％程度であることが望ましく、そうすれば、削り取りに要する時間と金属板（放熱板）１０１の機械的強度の強化、さらには大電力に対応した厚みが適切な範囲となる。そこで、本実施形態では凹部１０６の深さを金属板１０１の厚みの約半分としている。なお、金属板１０１に対して選択的なエッチングを複数回施せば、深さのことなる凹部１０６を形成することも可能である。
【００３６】
最後に、硬化したレジスト露光部１０５を苛性ソーダ等の剥離液を用いて剥離することで、図１（ｆ）に示す放熱板１０７を形成する。その後、放熱板１０７の一方面をめっき処理、もしくは／さらに表面粗化する工程を追加することも有効であり、そうすれば、後の工程で配設する絶縁シート材と成型一体化したときの両者（絶縁シート材と放熱板）の密着性をさらに良くすることができるようになる。このような処理は少なくとも凹部１０６の内面に対して行えばよい。
【００３７】
以上は、放熱板１０７を作製するにあたり、レジスト膜１０２を形成しエッチング法を用いて凹凸パターンを作製する方法であるが、例えばスクリーン印刷法などで配線パターンに対応した逆パターンを印刷して、化学エッチング法で凹部１０６を形成してもよい。また切削加工や射出成型法、ダイキャスト法などで任意の凹部１０６を有する放熱板１０７を加工することもできる。
【００３８】
次に、このようにして形成した放熱板１０７を用いた回路基板の製造方法の一例を図２を参照して説明する。
【００３９】
まず、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、上述した工程で作製した放熱板１０７と絶縁シート材２０１とリードフレーム２０２とを用意する。絶縁シート材２０１は、その厚み寸法を放熱板１０７の凹部１０６の深さ寸法より大きく成形しておく。リードフレーム２０２は、銅板等の良導電性の金属板に対して金型を用いた打ち抜き工程を施す、もしくはフォトトリソグラフィ工程を施すことによって作製しておく。
【００４０】
絶縁シート材２０１の作製方法をさらに詳細にいえば、次のようになる。すなわち、少なくとも未硬化状態の熱硬化性樹脂と無機フィラーからなる絶縁物とをシート状に加工することで、熱伝導性に優れた絶縁シート材２０１を作製する。この絶縁シート材２０１に含まれる熱硬化樹脂は、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂若しくはシアネート系樹脂の少なくとも１種類から構成されるのが好ましい。これは次のような理由による。すなわち、これらの樹脂からなる絶縁シート材２０１を硬化させて回路基板を形成すれば、高温時における電気絶縁性に優れた回路基板を得ることができる。特に、エポキシ系樹脂は、半導体封止樹脂やプリント基板等で良く知られているように、電気特性ばかりでなく、耐薬品性、機械的性能（強度等）に優れた回路基板となる。
【００４１】
また無機フィラーは、アルミナ、シリカ、マグネシア、窒化アルミニウム及び窒化ホウ素から選ばれた少なくとも１種の粉末で構成されるのが好ましい。これは次のような理由による。すなわち、アルミナ、窒化アルミニウムを無機フィラーとして用いた場合には、熱伝導性に優れた回路基板となる。また、マグネシアでは、熱伝導度が良好になり、かつ熱膨張係数を大きくすることができる。さらには、シリカ（特に、非晶質シリカ）であれば、熱膨張係数が小さく、かつ、軽量で、さらには、誘電率の小さい回路基板とすることができる。無機フィラーの添加量は、絶縁シート材全体の７０〜９５重量％程度が望ましいが、良好な熱伝導性を要求される回路基板においては、９０重量％以上の高い無機フィラー充填量にすることが望ましい。
【００４２】
次に、図２（ｃ）に示すように、リードフレーム２０２に、未硬化状態の絶縁シート材２０１を重ね合せ配置した後、さらに図２（ｄ）に示すように、リードフレーム２０２を絶縁シート材２０１に向けて相対的に加圧し、さらに加熱することで、絶縁シート材２０１の硬化およびリードフレーム２０２と絶縁シート材２０１との接着を行う。これにより、絶縁シート材２０１は絶縁層２０３となる。このとき放熱板１０７の凹部１０６Ａ、１０６Ｂ内に絶縁シート材２０１を押し込むことで凹部１０６の内部を絶縁シート材２０１で埋め込む。
【００４３】
このようにして形成した回路基板２０４は、リードフレーム２０２を絶縁層２０３内に埋没させることでリードフレーム２０２上の回路で生じる熱を、絶縁層２０３の厚み方向だけではなく、側壁１０１ａを介して、絶縁層２０３の幅方向にも熱を放散させることができ、その分、回路基板全体としての放熱性が向上している。
【００４４】
さらには、凹部１０６Ａ、１０６Ｂ内と、リードフレーム２０２の内部隙間（フレーム間隙間）とに、絶縁層２０３を入り込ませた状態で、放熱板１０７の一方面に絶縁層２０３を介してリードフレーム２０２を貼り付けているので、放熱板１０７とリードフレーム２０２とは絶縁層２０３を介して強固に接着されることになる。そのため、このような回路基板に電力変換回路を実装させることで発熱量が増大し、それにより熱応力が回路基板に対して多大に及ぶ場合となっても、回路基板に反り、剥がれ等が生じることはない。
【００４５】
さらには、放熱座１０８を有さない凹部１０６Ａの全領域や、凹部１０６Ｂにおいて放熱座１０８が存在しない領域では、絶縁層２０３の厚みが十分に厚くなっている。そのため、これらの領域に対向するリードフレーム領域には、駆動回路を実装することが適している。また、放熱座１０８が存在する領域に対向するリードフレーム領域には、電力変換回路を実装することが適している。以下、その理由を説明する。
【００４６】
電力変換回路を実装した領域の絶縁層２０３には、高熱伝導度を有する材料が必要となる。これに対して、半導体素子等を動作させる駆動回路においては、電流容量よりも伝搬速度やノイズに対する信頼性が求められるため、誘電率や誘電正接等の特性において優れた材料が必要となる。このように、電力変換回路と駆動回路とでは、求められる特性が異なるために、絶縁層２０３として同一組成のものを用いることができない。つまり、単一の絶縁層２０３においてその組成を調整するだけで電力変換回路と駆動回路とで求められる特性それぞれを同時に満足させることは容易ではない。
【００４７】
これに対して、高い熱伝導度は、絶縁層２０３の組成による調整で得られるほか、放熱板１０７を放熱座１０８を有さない凹部１０６Ａの全領域や、凹部１０６Ｂにおいて放熱板１０７とリードフレーム２０２とを近接させることでも実現できる。この場合、絶縁層２０３の厚みが小さくなるため、誘電率や誘電正接等の特性を多少とも向上させにくくはなる。
【００４８】
このような構造上および特性上の特徴を踏まえて、放熱座１０８を有さない凹部１０６Ａの全領域や、凹部１０６Ｂにおいて放熱座１０８が存在しない領域に対向するリードフレーム領域に駆動回路を実装し、放熱座１０８が存在する領域に対向するリードフレーム領域に電力変換回路を実装すれば、各回路に要求される特性を互いに両立させた状態で発揮させることができる。
【００４９】
なお、凹部１０６Ａ、１０６Ｂを囲む側壁１０１ａのうち、その幅寸法が回路を実装するのに十分な大きさの側壁（例えば、側壁１０１ａ'）は、上述した放熱座１０８として用いることができる。
【００５０】
ここで、放熱座１０８とリードフレーム２０２との間や、側壁１０１ａ'とリードフレーム２０２との間に残存させる絶縁層２０３の厚み（図２中、符号ｔで表示）は、０．０２ｍｍ〜２ｍｍに設定することが好ましい。その理由を説明する。
【００５１】
厚みｔが０．０２ｍｍ以下であると、リードフレーム２０２と放熱板１０７との間が近接しすぎて両者の間に生じる浮遊容量が大きくなり、電力変換回路等の比較的ノイズについては寛容にできる回路においてもノイズを伝播し易くなって問題となる。一方、厚みｔが２ｍｍ以上であると、熱抵抗が高くなって放熱効率が極端に低下し、場合によっては回路基板上に実装した電子部品（半導体装置等）の発熱温度以上まで温度が上昇して、電子部品を破壊させてしまうことにもなりかねない。以上の理由により、上記厚みｔを０．０２ｍｍ〜２ｍｍに設定するのが好ましい。
【００５２】
ここで、本実施形態では、放熱座１０８は側壁１０１ａとほぼ同じ高さ寸法に設定されている。そのため、設定される厚みｔは放熱板１０７とリードフレーム２０２との間の離間隙間（凹部１０６Ａ、１０６Ｂの形成領域は除く）に介在される絶縁層２０３の厚み寸法とほぼ同一となる。ただし、放熱座１０８の高さ寸法と、側壁１０１ａの高さ寸法とを揃えなくてもよいのはいうまでもない。
【００５３】
本実施形態では、以上のようにして回路基板２０４を構成しているのであるが、図３に示すようにさらに加工してもよい。すなわち、回路基板２０４において、表面の樹脂ばりを研磨除去した後に、絶縁層２０３に埋設配置されているリードフレーム２０２を絶縁層２０３の厚み方向に対してエッチングを施して削り取ることで、絶縁層２０３内においてリードフレーム２０２を若干凹んだ状態にし、これによってリードフレーム２０２上に凹み２０５を形成する。そうすれば、リードフレーム２０２の表面が絶縁層２０３より凹んだ位置（凹み２０５）に配置されることになる。これにより回路基板２０４に電子部品を実装する後の工程において、電子部品の位置合わせを容易にかつ精度高く行えるようになる。これは、絶縁層２０３上の凹み２０５の近傍に電子部品の外部接続端子を配置すれば、外部接続端子は自然と凹み２０５に入り込んで、外部接続端子と配線パターンとが当接するためである。また、リードフレーム２０２が凹み２０５内に配置されることで、隣接する配線パターン１７どうしは、凹み３３の周縁に沿って縁面距離が形成されるので、その分、縁面距離が増加して、短絡しにくくなり、その分、高密度化が達成でき、電源などの機器の小型化に貢献できる。
【００５４】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の回路基板における第２の実施形態について図４を参照して説明する。
【００５５】
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、絶縁シート材２０１と放熱板１０７と、リードフレーム２０２とを用意する。絶縁シート材２０１は次のようにして作製する。すなわち、少なくとも未硬化状態の熱硬化性樹脂と無機フィラーからなる絶縁物とをシート状に加工することで、熱伝導性に優れた絶縁シート材２０１を作製する。この絶縁シート材２０１に含まれる熱硬化樹脂は、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂若しくはシアネート系樹脂の少なくとも１種類から構成されるのが好ましい。また無機フィラーは、アルミナ、シリカ、マグネシア、窒化アルミニウム及び窒化ホウ素から選ばれた少なくとも１種の粉末で構成されるのが好ましい。無機フィラーの添加量は、絶縁シート材全体の７０〜９５重量％程度が望ましいが、良好な熱伝導性を要求される回路基板においては、９０重量％以上の高い無機フィラー充填量にすることが望ましい。
【００５６】
放熱板１０７は複数の凹部１０６Ａ〜１０６Ｃを備えており、このような構成の放熱板１０７は第１の実施形態と同様の方法で作製することができる。ただし、本実施形態では放熱座１０８を設けていない。しかしながら、本実施形態においても放熱座１０８を作製してもよいのはいうまでもない。
【００５７】
リードフレーム２０２は第１の実施形態で説明した方法と同様の方法によりに作製する。
【００５８】
次に、図４（ｃ）に示すように、放熱板１０７の一方面に設けた凹部１０６Ａ〜１０６Ｃそれぞれに対して、各凹部１０６Ａ〜１０６Ｃの形状に合わせた形に成形した未硬化状態の絶縁シート材２０１それぞれを配置する、もしくは各凹部１０６Ａ〜１０６Ｃに未硬化状態の絶縁シート材２０１を印刷充填する。
【００５９】
そして、図４（ｄ）に示すように、リードフレーム２０２を絶縁シート材２０１に向けて相対的に加圧し、さらに加熱することで、絶縁シート材２０１の硬化およびリードフレーム２０２と絶縁シート材２０１との接着を行って絶縁層２０３を形成する。このとき凹部１０６Ａ〜１０６Ｃ内に絶縁シート材２０１を押し込むことで凹部１０６Ａ〜１０６Ｃの内部を絶縁シート材２０１で埋め込む。また、このとき、放熱板１０７に設けた各側壁１０１ａの頂部をリードフレーム２０２の内部隙間に組み込むように配置する。これは、回路基板の構造の小型化や放熱性の向上を図るために採用した構成である。しかしながら、リードフレーム２０２と放熱板１０７とを完全に電気的に分離する必要がある場合などでは、第１の実施形態と同様、リードフレーム２０２と放熱板１０７とを完全に互いに離間させて、その間に絶縁層２０３を介装させればよい。
【００６０】
このようにして形成した回路基板２０４は、リードフレーム２０２を凹部１０６に充填した絶縁層２０３内に埋没させることでリードフレーム２０２の下からだけでなく幅方向にも熱を放散させることができ、その分、放熱性が向上したものとなる。
【００６１】
また、図５に示すように凹部１０６Ａ〜１０６Ｃ内に充填する絶縁シート材２０１について、他の絶縁層２０３とは、異なる特性を有する絶縁層２０３'を一つないし複数の凹部１０６（図５では、凹部１０６Ａ）に充填することで、局所的に熱伝導度や誘電率を制御することが可能となる。そうすれば、絶縁層２０３、２０３'それぞれに対向するリードフレーム２０２の領域に実装する回路構成にとって最適ととなる電気特性や放熱特性を獲得することができる。
【００６２】
図５に示す構成（凹部１０６Ａ〜１０６Ｃのうちの一部に他とは異なる特性を有する絶縁層２０３'を設ける構成）は、本実施形態のように、各凹部１０６Ａ〜１０６Ｃの形状に合わせた形に成形した絶縁シート材２０１それぞれを、各凹部１０６Ａ〜１０６Ｃに配置することにより、容易に実現することができる。
【００６３】
なお、電気特性を調整するには、樹脂層中２０３'中の組成を変えることで行なうことができる。特に、熱伝導度を調整するには、樹脂層中２０３'中の無機フィラーの含有量を調整すればよい。
【００６４】
さらに、図６に示すように回路基板２０４において、表面の樹脂ばりを研磨除去した後に、絶縁層２０３に埋設配置されているリードフレーム２０２を樹脂層２０３の厚み方向に対してエッチングを施して削り取ることで、絶縁層２０３内においてリードフレーム２０２を若干凹んだ状態にして、リードフレーム２０２上に凹み２０５を形成してもよい。そうすれば、リードフレーム２０２の表面が絶縁層２０３より凹んだ位置（凹み２０５）に配置されるので、回路基板２０４に電子部品を実装する後の工程において、電子部品の位置合わせを容易にかつ精度高く行えるようになる。その理由は第１の実施形態で説明したのでここでは省略する。
【００６５】
なお、上述した各実施形態では、作製した回路基板２０４をそのままの状態で完成品としたが、各凹部１０６の領域を一単位とした、各単位領域毎もしくは複数単位領域毎に分断し、分断した各回路構成品を回路基板の完成品としてよい。そうすれば、ひとつの基板構造体から多数の回路基板を一度に作製することができ、その分、製造の手間が省けてコストダウンにつながる。
【００６６】
次に、放熱板１０７の製造方法の実施例について説明する。
【００６７】
まず金属板１０１として、一定の厚み１．０ｍｍを有する銅板（神戸製鋼製：ＫＦＣ １／２）を準備した。金属板１０１の一方面に任意のパターン形状を有するレジスト膜を形成するため、ドライフィルムレジストを用いてロールラミネート装置により、金属板１０１の両面にレジスト膜１０２を形成した。ドライフィルムレジストは、プリント基板のパターニングに使用される一般的なものである（ドライフィルムレジスト：日立化成工業製 Ｈ−Ｓ９３０−３０）。
【００６８】
次に両面にレジスト膜１０２を形成した金属板１０１に対して、配線パターンを描画したフィルムマスクパターン１０３を介して紫外線の密着露光を行った。このとき、金属板１０１の他方面（フィルムマスクパターン１０３を形成しない面）は全面露光した。次に、露光した金属板１０１上のレジスト膜１０２を現像液中で処理し、レジスト露光部１０５だけを選択的に紫外線により硬化させて残存させ、フィルムマスクパターン１０３により露光されなかったレジスト膜の領域を除去することで、開口部（金属板１０１が露出している）１０４を形成した。
【００６９】
さらにレジスト露光部１０５が形成された金属板１０１を塩化鉄溶液中でエッチング処理することで、金属板１０１の一方面にのみ厚み方向に対して任意の形状で、かつ一様な深さを持つ凹部１０６を形成した。このときエッチング処理する時間を変更することにより、金属板１０１に形成する凹部１０６の深さを制御することができた。ここでは、０．５ｍｍの厚みの金属板１０１に対し、約半分の０．２５ｍｍ深さの凹部１０６を形成した。なお、凹部１０６に放熱座１０８を設けるか否かは、そのパターンの設計により任意に設定した。
【００７０】
最後にレジスト露光部１０５を苛性ソーダ等の剥離液により処理することで除去し、これにより表面に任意の形状と深さの凹部１０６を有する放熱板１０７を作製した。
【００７１】
また本発明における放熱板を製造する別の方法の実施例を説明する。
【００７２】
まず、一定の厚み０．５ｍｍを有する銅板からなる金属板１０１（神戸製鋼製：ＫＦＣ １／２）を準備した。そして、金属板１０１の一方面に任意のパターン形状を有するレジスト膜１０２を形成した。レジスト膜１０２はスクリーン印刷法でレジストペーストを印刷して形成した。すなわち、任意のパターンを形成したスクリーン版を用いてスキージにより金属板１０１の表面に印刷した。レジストペーストはバインダとしてブチラール樹脂とターピネオールを混練したものを用いた。レジスト膜１０２を形成した金属板１０１を１００℃／１０分間の条件で乾燥機にかけることで、溶剤の乾燥を行った。乾燥後のレジスト膜１０２はブチラール樹脂の膜（厚み約３０μｍ）となる。一方、金属板１０１の他方面には同様にしてその全面にレジスト印刷・乾燥を行った。
【００７３】
次にレジスト膜１０２を形成した金属板１０１を塩化鉄溶液中でエッチング処理することで、金属板１０１の一方面にのみ厚み方向に対して一様な深さを持つ凹部１０６を形成した。このときエッチング処理する時間を変更することにより、金属板１０１に形成する凹部１０６の深さを制御することができた。この方法では、０．５ｍｍの厚みの金属板１０１に対し、約半分の０．２５ｍｍ深さの分離溝１０６を形成した。なお、凹部１０６に放熱座１０８を設けるか否かは、そのパターンの設計により任意に設定した。
【００７４】
最後にレジスト膜１０２を溶剤を用いて溶解除去し、その面を電解ニッケルメッキ法で５μｍの厚みまでメッキ処理した。これにより表面にニッケルメッキ処理された任意の形状を有する放熱板１０７を作製した。さらにこの放熱板１０７の表面を、アルミナ粉末を吹き付けるサンドブラスト処理を行った。サンドブラスト処理をすることで、熱硬化性樹脂との密着性を強化することが可能となり、粗化度は吹き付けるアルミナ粉末粒径で制御できた。
【００７５】
次に、リードフレームの製造方法の実施例について説明する。
【００７６】
リードフレーム２０２の作製に際し、金属板として、一定の厚み１．０ｍｍを有する銅板（神戸製鋼製：ＫＦＣ １／２）を準備した。次に打ち抜き金型を用いて、金属板をプレス機により打ち抜いた。これにより配線パターンの島がすべて外枠に接続されているリードフレーム２０２が作製できた。
【００７７】
次に、リードフレーム２０２の製造方法の別の実施例を図７を参照して説明する。まず、図７（ａ）に示すように金属板２１０として、一定の厚み０．５ｍｍを有する銅板（神戸製鋼製：ＫＦＣ １／２）を準備した。そして、図７（ｂ）に示すように金属板２１０の一方面に任意のパターン形状を有するレジスト膜２１１を形成した。レジスト膜２１１はスクリーン印刷法でレジストペーストを印刷して形成した。すなわち、任意のパターンを形成したスクリーン版を用いてスキージにより金属板２１０の表面に印刷した。レジストペーストはバインダとしてブチラール樹脂とターピネオールを混練したものを用いた。レジスト膜２１１を形成した金属板２１０を１００℃で１０分間の条件で乾燥機にかけることで溶剤の乾燥を行った。乾燥後のレジスト膜２１１はブチラール樹脂の膜（厚み約３０μｍ）となる。一方、金属板２１０の他面には同様に全面にレジスト印刷・乾燥を行った。
【００７８】
次に図７（ｃ）に示すようにレジスト膜２１１を形成した金属板２１０を塩化鉄溶液中でエッチング処理することで、導体配線パターンの島がすべて外枠に接続されているリードフレーム２０２ができた。
【００７９】
最後にレジスト膜２１１を溶剤を用いて溶解除去し、その面を電解ニッケルメッキ法で５μｍの厚みまでメッキ処理した。これにより表面にニッケルメッキ処理された配線パターンを有する第２のリードフレーム２０２を作製した。さらにこの第２のリードフレームの表面を、アルミナ粉末を吹き付けるサンドブラスト処理を行った。サンドブラスト処理を片面のみ処理することで、熱硬化性樹脂との密着性を強化することが可能となる。粗化度は吹き付けるアルミナ粉末粒径で制御できた。
【００８０】
次に回路基板の製造方法の実施例を説明する。
【００８１】
まず無機フィラーと熱硬化樹脂による絶縁シート材２０１の作製方法から述べる。本実施例に使用した絶縁シート材２０１は、無機フィラーと液状の熱硬化樹脂、適度の溶剤を攪拌混合機により混合することにより作製した。使用した攪拌混合機は、所定の容量の容器に無機フィラーと液状の熱硬化樹脂、溶剤を投入し、容器自身を自転させながら公転させるもので、比較的粘度が高くても充分な分散状態が得られるものである。本実施例では、絶縁シート材２０１の配合および組成を互いに違えて各サンプルを作製した。
【００８２】
各サンプルにおける絶縁シート材２０１の具体的な作製方法は次の通りである。すなわち、各サンプル毎に秤量・混合された絶縁シート材２０１の材料（ペースト状の混合物）の所定量を取って、離型フィルム上で造膜させる。ここで、離型フィルムとして厚み７５μｍの表面にシリコンによる離型処理を施されたポリエチレンテレフタレートフィルムを用いた。そして、混練した材料をドクターブレード法で一定厚みに造膜させた。
【００８３】
次に、離型フィルム上の混合物を離型フィルムごと加熱し、粘着性が無くなる条件下で乾燥熱処理した。この乾燥熱処理により含有される溶剤は除去されるので、本実施例の各サンプルでは溶剤添加量を示していない。熱処理条件は、温度が１２０℃で１５分間保持とした。これにより前記混合物から、厚み５００μｍの粘着性のない絶縁シート材２０１ができた。本実施例で用いる熱硬化エポキシ樹脂は、硬化開始温度が１３０℃であるため、前記熱処理条件下では、未硬化状態（Ｂステージ）であり、以降の工程で加熱により再度溶融させることができた。
【００８４】
作製した絶縁シート材２０１を、リードフレーム２０２の一方面に向かい合うように位置合わせして重ね合わせたのち、この積層体を、厚み１０ｍｍの２枚の加圧板の間に挟んで１５０℃の条件下で５０ｋｇｆ／ｃｍ2で加熱加圧した。このときリードフレーム２０２のフレーム間隙間には絶縁シート材２０１が入り込んで完全に充填された。さらには絶縁シート材２０１中の熱硬化樹脂は加熱により硬化されて絶縁層２０３となり、リードフレーム２０２と機械的に接着して、図２（ｄ）に示すような回路基板ができた。さらに、リードフレーム２０２にエッチング処理を施すことで、図３に示されるようなリードフレーム２０２が絶縁層巣２０３中に凹んだ状態にした。
【００８５】
なお、本実施例では、液状熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂として、日本ペルノックス（株）製（ＷＥ−２０２５、酸無水系硬化剤含む）、フェノール樹脂としては、大日本インキ（株）製（フェノライト ＶＨ４１５０）、シアネート樹脂としては、旭チバ（株）製 （ＡｒｏＣｙ Ｍ−３０）を用いた。
【００８６】
つぎに、回路基板の製造方法の別の実施例を説明する。
まず、上述した方法で作製された絶縁シート材２０１それぞれを、放熱板１０７上に形成した凹部１０６内に充填した。この際、一部の凹部１０６においては、フィラー充填率のことなる絶縁シート材２０１を配置した。絶縁シート材２０１を充填した放熱板１０７の上に、リードフレーム２０２を重ね合わせた後、この積層体を厚み１０ｍｍの２枚の加圧板の間に挟んで１５０℃条件下で５０ｋｇ／ｃｍ2で加熱加圧した。このときリードフレーム２０２のフレーム間隙間には絶縁シート材２０１が入り込む形で完全に充填され、かつ放熱板１０７の凹部１０６内に埋設された。さらには絶縁シート材２０１中の熱硬化性樹脂は加熱処理により硬化されて絶縁層２０３となった。さらに、リードフレーム２０２にエッチング処理を施すことで、図６に示すように、リードフレーム２０２が絶縁層２０３中に凹んだ状態にした。
【００８７】
このようにして作製した本実施例の各サンプルの熱抵抗を熱抵抗測定器「キャッツ電子設計（株）製」を用いて測定した。測定原理は、次の通りである。すなわち、実施例で作製した回路基板２０４に予め物性を正確に把握している半導体（ＩＧＢＴ、ＳＯパッケージ）を直接半田付けにより実装し、絶縁層２０３の表面にシリコン系の熱伝導グリスを介して理想放熱ヒートシンクに接着させる。理想放熱ヒートシンクは冷却ファンや熱電素子などで常に室温に保持できるようにするために使用する。実装した半導体素子に所定の電圧を供給して発熱させ、半導体のベース、エミッタ間の電圧（ＶＢＥ）の温度特性から半導体素子の温度を知る。
【００８８】
このようにして半導体の温度と理想ヒートシンクの温度差から回路基板２０４の熱抵抗値を求めることができる。熱抵抗には、過渡熱抵抗と飽和熱抵抗があり、ごく短時間（０．８秒）の放熱性を示すのが過渡熱抵抗、飽和した状態（６０秒）の熱抵抗が飽和熱抵抗である。ごく短時間に大電流を処理するような回路（オーディオ用パワーアンプなど）の場合は過渡熱抵抗が重視されるが、一般的なパワー回路（スイッチング電源やインバータ回路など）には飽和熱抵抗が問題となる。
【００８９】
厚さ０．５ｍｍのリードフレーム２０２を用いて作製した回路基板２０４において、リードフレーム２０２直下の厚み（図２（ｄ）における符号ｔ、図４（ｄ）における符号Ｔ）を５００μｍとした場合には、単位面積当たり飽和熱抵抗値の目標値は１．２℃／Ｗとなる。飽和熱抵抗目標値は、１Ｗ当たり１．２℃発熱することを示しており、通常のプリント基板（ガラスエポキシ基板）の熱抵抗値（約１２℃／Ｗ）に比べて極めて放熱に優れた基板と言える。
【００９０】
本発明の各サンプルの性能評価結果は、次の表１に示す通りである。なお、試料番号１〜５は第１の実施形態において、放熱板１０７厚みを１．０ｍｍとしたうえで絶縁層２０３の組成をそれぞれ異ならせた各サンプルであり、試料番号６〜１１は、第２の実施形態において、放熱板１０７の厚みを１．５ｍｍとしたうえで、絶縁層２０３の組成を異ならせた各サンプルである。また、第１の実施形態に対応する試料１〜５におけるリードフレーム２０２下の絶縁層２０３の厚みとは、図２（ｄ）に示す厚みｔを示し、第２の実施形態に対応する試料６〜１１におけるリードフレーム２０２下の絶縁層２０３の厚みとは、図４（ｄ）に示す厚みＴを示している。
【００９１】
【表１】
0004498542.tif 000002
【００９２】
この表１から明らかなように、各種フィラーと熱硬化樹脂選択時の回路基板２０４の飽和熱抵抗は、概ね良好なものであった。なお、従来例における飽和熱抵抗は、１．５０℃／Ｗであって、本発明の各試料が従来例に比べて優れていることがわかる。
【００９３】
また、無機フィラーとしてアルミナを８９重量％添加した各資料４、９では、熱抵抗値が目標値を満足するだけでなく、熱膨張係数がリードフレーム材料である銅とほぼ同じ程度であるため、基板そりが小さかった。また窒化アルミ粉末を添加した各資料６、８では、さらに熱抵抗値が低下しているのが確認できた。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、放熱性に優れパターン設計が容易な回路基板を得ることができる。すなわち放熱板上に凹部を形成して、この部分にも絶縁層を配置することで、絶縁層と放熱板の接触面積を増大させることが可能となり放熱特性が増大した。
【００９５】
さらに、凹部を活かすことで部品配置の関係上特定部分に対して、高熱伝導性が要求される場合や大電流を取り扱う場合に対して、熱伝導度や誘電率において他の領域とは異なる特性を有する絶縁層を部分的に配置することができた。そのため、それまでのパワーモジュールにおいてパワー半導体を実装する回路基板と制御回路基板という別々の回路基板からなっていたものを、同一回路基板上に実装することが可能となり、これにより、低コストで製造することが可能となった。
【００９６】
また、複数設けた凹部それぞれに回路基板構造を形成したのち、これらの凹部領域を分断することで、多種多様な回路基板を一つの基板構造物上に一度に形成して分断することが可能となり、これにより、製造の手間が削減できて、コストダウンを図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態による放熱板の製造過程である。
【図２】  本発明の第１の実施形態による回路基板の製造過程を示す工程別断面図である。
【図３】  本発明の変形例を記す断面図である。
【図４】  本発明の第２の実施形態による回路基板の製造過程を示す工程別断面図である。
【図５】  本発明の変形例を示す断面図である。
【図６】  本発明の変形例を示す断面図である。
【図７】  リードフレームの製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１ 金属板
１０２ レジスト膜
１０３ フィルムマスクパターン
１０４ 開口部
１０５ レジスト露光部
１０６ 凹部
１０７ 放熱板
１０８ 放熱座
２０１ 絶縁シート材
２０２ リードフレーム
２０３ 絶縁層
２０４ 回路基板
２０５ 凹み
【図１】
0004498542.tif 000003
【図２】
0004498542.tif 000004
【図３】
0004498542.tif 000005
【図４】
0004498542.tif 000006
【図５】
0004498542.tif 000007
【図６】
0004498542.tif 000008
【図７】
0004498542.tif 000009