(57)【要約】【課題】放熱性を向上し、回路素子の温度上昇を抑制できる多層基板を提供する。【解決手段】多層基板１は、配線層２９，３０と絶縁層３２，３３，３４とが交互に積層された積層構造を有している。多層基板１の表面１ａ上には、第１スイッチング素子１１Ｕが配置されている。第１スイッチング素子１１Ｕと最下絶縁層３２との間には、波長変換層４１が配置されている。波長変換層４１は、第１スイッチング素子１１Ｕによって発生する赤外線領域の波長を、最下絶縁層３２による赤外線吸収の少ない波長帯に変換するマイクロキャビティ構造を有している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線層と絶縁層とが交互に積層された積層構造を有し、その表面に回路素子が配置された多層基板であって、
前記積層構造の最下層に配置された最下絶縁層と、
前記回路素子と前記最下絶縁層との間に配置され、前記回路素子によって発生する赤外線領域の波長を、前記最下絶縁層による赤外線吸収の少ない波長帯に変換するマイクロキャビティ構造を有する波長変換層とを含む、多層基板。
【請求項２】
前記回路素子と前記波長変換層との間に介在する熱伝導部材をさらに含む、請求項１に記載の多層基板。
【請求項３】
前記波長変換層の反対側の前記最下絶縁層上に接続された放熱板をさらに含む、請求項１または２に記載の多層基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
多層基板は、通常、回路素子が配置された側の面とは反対側の面を接続対象物に対向させた状態で、当該接続対象物に取り付けられる。多層基板では、接続対象物との絶縁性を確保するため、最下層に絶縁層が設けられる。このような構成は、たとえば特許文献１に開示されている。
特許文献１は、複数の絶縁層を重ねて形成された多層基板を開示している。この多層基板は、絶縁層に埋設されるように最下層の絶縁層上に配置された第１のヒートシンクと、絶縁層に埋設されるように第１のヒートシンク上に配置された第２のヒートシンクと、第２のヒートシンクに接続されるように多層基板の表面上に配置されたパワー素子（回路素子）とを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２２３３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、最下層の絶縁層上に形成されたヒートシンクにより回路素子の温度上昇の抑制を図っている。しかしながら、絶縁層の熱伝導率は、通常、金属の熱伝導率よりも小さいため、最下層に絶縁層が設けられた多層基板では、回路素子で発生した熱が最下層の絶縁層を介して外部に伝達され難く、回路素子の温度が上昇するという問題がある。
そこで、本発明は、放熱性を向上し、回路素子の温度上昇を抑制できる多層基板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】
【０００５】
請求項１に記載の発明は、配線層（２９，３０）と絶縁層（３２，３３，３４）とが交互に積層された積層構造を有し、その表面（１ａ）に回路素子（１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ）が配置された多層基板（１，５１）であって、前記積層構造の最下層に配置された最下絶縁層（３２）と、前記回路素子と前記最下絶縁層との間に配置され、前記回路素子によって発生する赤外線領域の波長を、前記最下絶縁層による赤外線吸収の少ない波長帯に変換するマイクロキャビティ構造を有する波長変換層（４１）とを含む、多層基板（１，５１）である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、特許請求の範囲を実施形態に限定する趣旨ではない。以下、この項において同じ。
【０００６】
この構成によれば、マイクロキャビティ構造を有する波長変換層によって、回路素子によって発生する赤外線領域の波長が、最下絶縁層による赤外線吸収の少ない波長帯に変換される。これにより、回路素子で発生した熱が最下絶縁層を通過し易くなる。つまり、回路素子で発生した熱を外部に放散させ易くなる。その結果、放熱性を向上できるので、回路素子の温度上昇を抑制できる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記回路素子と前記波長変換層との間に介在する熱伝導部材（４０，５２）をさらに含む、請求項１に記載の多層基板である。
この構成によれば、回路素子で発生した熱を、熱伝導部材によって波長変換層まで効率良く伝達できる。これにより、回路素子および波長変換層が、配線層および絶縁層の積層方向に離間して配置されていても、良好な放熱性を実現できる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記波長変換層の反対側の前記最下絶縁層上に接続された放熱板（４５）をさらに含む、請求項１または２に記載の多層基板である。この構成によれば、回路素子で発生した熱を効率良く放熱板に伝達できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る多層基板が採用された電力変換装置の電気回路を示す回路図である。
【図２】図２は、前記多層基板を示す斜視図である。
【図３】図３は、前記多層基板を示す断面図であって、Ｕ相アーム形成領域における第１スイッチング素子が配置された部分の断面図である。
【図４】図４は、前記多層基板の波長変換層、最下絶縁層および金属層の部分断面を示す分解斜視図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態に係る多層基板を示す断面図であって、Ｕ相アーム形成領域における第１スイッチング素子が配置された部分の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る多層基板１が採用された電力変換装置２の電気回路を示す回路図である。以下では、電力変換装置２が三相モータ３に電力を供給する三相インバータ回路である例について説明する。多層基板１の具体的な構成については、図２以降において詳説する。
【００１１】
電力変換装置２は、直流電源４と、電源スイッチ５と、電源スイッチ５を介して直流電源４に接続され、直流電源４の直流電圧を平滑する平滑コンデンサ６と、平滑コンデンサ６に並列接続されたインバータ部７とを含む。インバータ部７は、平滑コンデンサ６により平滑された直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ部７は、三相モータ３のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応したＵ相アーム８、Ｖ相アーム９およびＷ相アーム１０を含む。
【００１２】
Ｕ相アーム８は、平滑コンデンサ６に並列接続され、ハイサイド側の第１スイッチング素子（回路素子）１１Ｕおよびローサイド側の第２スイッチング素子（回路素子）１２Ｕの直列回路を含む。Ｖ相アーム９は、Ｕ相アーム８に並列接続され、ハイサイド側の第１スイッチング素子（回路素子）１１Ｖおよびローサイド側の第２スイッチング素子（回路素子）１２Ｖの直列回路を含む。Ｗ相アーム１０は、Ｖ相アーム９に並列接続され、ハイサイド側の第１スイッチング素子（回路素子）１１Ｗおよびローサイド側の第２スイッチング素子（回路素子）１２Ｗの直列回路を含む。
【００１３】
図１では、各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２ＷとしてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が採用された例を示している。つまり、各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、ドレイン電極１３、ソース電極１４およびゲート電極１５をそれぞれ含む。各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの直列回路は、第１スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのソース電極１４と、第２スイッチング素子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗのドレイン電極１３とが接続されることにより形成されている。各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの各ゲート電極１５には、ドレイン電極１３およびソース電極１４間の電流を制御する信号が入力される。
【００１４】
各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗのドレイン電極１３およびソース電極１４の間には、ダイオード１６が逆並列接続されている。Ｕ相アーム８の第１スイッチング素子１１Ｕと第２スイッチング素子１２Ｕとの接続部は、第１配線１７を介して、三相モータ３のＵ相に接続されている。Ｖ相アーム９の第１スイッチング素子１１Ｖと第２スイッチング素子１２Ｖとの接続部は、第２配線１８を介して、三相モータ３のＶ相に接続されている。Ｗ相アーム１０の第１スイッチング素子１１Ｗと第２スイッチング素子１２Ｗとの接続部は、第３配線１９を介して、三相モータ３のＷ相に接続されている。
【００１５】
図２は、多層基板１を示す斜視図である。
図２を参照して、多層基板１は、各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗが配置された表面１ａとその反対の裏面１ｂとを有している。より具体的には、多層基板１は、本実施形態では、平面視において一方向に長い矩形状に形成されている。多層基板１の表面１ａには、三相モータ３のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応したＵ相アーム形成領域２１、Ｖ相アーム形成領域２２およびＷ相アーム形成領域２３が設定されている。Ｕ相アーム形成領域２１、Ｖ相アーム形成領域２２およびＷ相アーム形成領域２３は、平面視矩形状であり、多層基板１の長手方向に沿ってこの順で並んで設定されている。
【００１６】
Ｕ相アーム形成領域２１に、Ｕ相アーム８の第１スイッチング素子１１Ｕおよび第２スイッチング素子１２Ｕが配置されている。Ｖ相アーム形成領域２２に、Ｖ相アーム９の第１スイッチング素子１１Ｖおよび第２スイッチング素子１２Ｖが配置されている。Ｗ相アーム形成領域２３に、Ｗ相アーム１０の第１スイッチング素子１１Ｗおよび第２スイッチング素子１２Ｗが配置されている。多層基板１において、各アーム形成領域２１，２２，２３におけるスイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗが配置された部分の構成はほぼ同様である。以下では、多層基板１における第１スイッチング素子１１Ｕが配置された部分の構成を例にとって説明する。
【００１７】
図３は、多層基板１を示す断面図であって、Ｕ相アーム形成領域２１における第１スイッチング素子１１Ｕが配置された部分の断面図である。
図３を参照して、多層基板１の表面１ａ上には、第１最上層配線２４ａおよび第２最上層配線２４ｂが間隔を空けて配置されている。この第２最上層配線２４ｂ上に、第１スイッチング素子１１Ｕが接合されている。第１スイッチング素子１１Ｕは、本実施形態では、ドレイン電極１３が形成された一方表面２５と、ソース電極１４およびゲート電極１５が形成された他方表面２６とを有する縦型のスイッチング素子である。本実施形態では、ソース電極１４の厚さおよび平面面積は、ゲート電極１５の厚さおよび平面面積よりも大きい。
【００１８】
第１スイッチング素子１１Ｕは、ドレイン電極１３（一方表面２５）を多層基板１の表面１ａに対向させた状態で、第２最上層配線２４ｂに接合されている。第１スイッチング素子１１Ｕのドレイン電極１３は、たとえば半田や金属ペースト等からなる導電性接合材２７を介して第２最上層配線２４ｂに接合されている。第１スイッチング素子１１Ｕのソース電極１４およびゲート電極１５は、たとえばボンディングワイヤ等の接合部材を介して、第１最上層配線２４ａ等の最上層配線に電気的に接続されていてもよい。
【００１９】
一方、第１最上層配線２４ａおよび第２最上層配線２４ｂとは反対側の多層基板１の裏面１ｂ上には、第１最下層配線２８ａおよび第２最下層配線２８ｂが互いに間隔を空けて配置されている。
多層基板１は、配線層と絶縁層とが交互に積層された積層構造を有している。本実施形態では、多層基板１は、２つの配線層２９，３０と、３つの絶縁層３２，３３，３４とが交互に積層された積層構造を有している。２つの配線層２９，３０は、多層基板１の裏面１ｂから表面１ａに向かう方向にこの順で配置されている。３つの絶縁層３２，３３，３４は、多層基板１の裏面１ｂから表面１ａに向かう方向にこの順で配置されている。絶縁層３４は、多層基板１の表面１ａを形成しており、絶縁層３２は、多層基板１の裏面１ｂを形成している。３つの絶縁層３２，３３，３４は、たとえばガラスエポキシ樹脂等の絶縁材料からなる。以下では、多層基板１の裏面１ｂを形成する絶縁層３２を「最下絶縁層３２」という。
【００２０】
配線層２９は、配線２９ａを含む。配線層３０は、配線３０ａを含む。第１最上層配線２４ａは、絶縁層３４に形成されたビア３６を介して配線３０ａに電気的に接続されている。配線３０ａは、絶縁層３３に形成されたビア３７を介して配線２９ａに電気的に接続されている。配線２９ａは、絶縁層３２に形成されたビア３８を介して第１最下層配線２８ａに電気的に接続されている。多層基板１に形成された配線２４ａ，２４ｂ，２８ａ，２８ｂ，２９ａ，３０ａは、たとえば、銅、金、銀、アルミニウム等の導電率の比較的高い金属材料からなる。配線層２９，３０における配線２９ａ，３０ａが形成されていない領域には、絶縁材料が充填されている。
【００２１】
第１スイッチング素子１１Ｕの下方には、第２最上層配線２４ｂを挟んでヒートスプレッダ（熱伝導部材）４０が配置されている。ヒートスプレッダ４０の下方には、波長変換層４１が配置されている。波長変換層４１の下方には、前述した第２最下層配線２８ｂが配置されている。
ヒートスプレッダ４０は、配線層３０および絶縁層３３，３４を貫通するように形成されている。より具体的には、ヒートスプレッダ４０は、波長変換層４１に至るように配線層３０および絶縁層３３，３４を掘り下げて形成された凹所４２に埋設されている。ヒートスプレッダ４０は、たとえば銅からなる。ヒートスプレッダ４０には、第２最上層配線２４ｂを介して第１スイッチング素子１１Ｕが熱的および電気的に接続されている。ヒートスプレッダ４０の平面面積は、第１スイッチング素子１１Ｕの平面面積よりも大きい。第１スイッチング素子１１Ｕは、平面視においてヒートスプレッダ４０の中央部に配置されている。
【００２２】
波長変換層４１は、配線層２９に設けられている。つまり、波長変換層４１は、最下絶縁層３２とヒートスプレッダ４０との間に配置されている。波長変換層４１は、ヒートスプレッダ４０を介して第１スイッチング素子１１Ｕに熱的および電気的に接続されている。本実施形態では、波長変換層４１は、ヒートスプレッダ４０と同一の平面形状を有している。波長変換層４１は、配線２９ａと同一の材料で形成されていてもよい。
【００２３】
第２最下層配線２８ｂは、いずれの配線２４ａ，２４ｂ，２８ａ，２９ａ，３０ａからも電気的に絶縁されるように設けられた金属層（以下、第２最下層配線２８ｂを、「金属層４３」という。）である。金属層４３は、最下絶縁層３２を挟んで波長変換層４１の全域に対向するように設けられている。
以下、図４を参照して、波長変換層４１の具体的な構成について説明する。図４は、波長変換層４１、最下絶縁層３２および金属層４３の部分断面を示す分解斜視図である。
【００２４】
図４を参照して、波長変換層４１は、平面視略矩形状の複数の微細孔４４を含むマイクロキャビティ（微小共振器）構造を有している。本実施形態では、複数の微細孔４４は、互いに直交する２方向（波長変換層４１の一方の表面４１ａに沿う方向）に規則的に整列するように間隔を空けて形成されている。この波長変換層４１により、所定波長λ１の電磁波Ｒ１が、別の波長λ２を有する電磁波Ｒ２に変換される。
【００２５】
より具体的には、所定波長λ１の電磁波Ｒ１は、波長変換層４１の一方側の表面４１ａから他方側の表面４１ｂに向かって当該波長変換層４１を通過するとき、複数の微細孔４４によって、別の波長λ２の電磁波Ｒ２に変換される。本実施形態では、第１スイッチング素子１１Ｕによって発生する赤外線領域の波長λ１の電磁波Ｒ１が、波長変換層４１（複数の微細孔４４）によって、最下絶縁層３２による赤外線吸収の少ない波長帯の波長λ２の電磁波Ｒ２に変換される。波長変換された電磁波Ｒ２は、最下絶縁層３２を通過（透過）して、金属層４３に伝達される。
【００２６】
図３を再度参照して、多層基板１は、裏面１ｂに接続されたヒートシンク（放熱板）４５をさらに含む。ヒートシンク４５は、金属層４３を介して波長変換層４１の反対側の最下絶縁層３２上に接続されている。本実施形態では、ヒートシンク４５は、放熱グリス４６を介して金属層４３に接続されている。したがって、金属層４３に伝達された熱（波長変換層４１で波長変換された電磁波Ｒ２）は、放熱グリス４６を介してヒートシンク４５にさらに伝達され、外部に放散される。
【００２７】
以上、本実施形態では、第１スイッチング素子１１Ｕと最下絶縁層３２との間にマイクロキャビティ構造を有する波長変換層４１が配置されている。この波長変換層４１によって、第１スイッチング素子１１Ｕによって発生する赤外線領域の波長λ１の電磁波Ｒ１（熱）が、最下絶縁層３２による赤外線吸収の少ない波長帯の波長λ２の電磁波Ｒ２（熱）に変換される。この電磁波Ｒ２（熱）は、最下絶縁層３２を通過（透過）して、金属層４３に伝達される。金属層４３に伝達された電磁波Ｒ２（熱）は、ヒートシンク４５に伝達されて多層基板１外に放散される。
【００２８】
このように、本実施形態では、第１スイッチング素子１１Ｕによって発生した赤外線の波長λ１が、波長変換層４１によって最下絶縁層３２を通過し易い波長λ２に変換されるから、第１スイッチング素子１１Ｕによって発生した熱を金属層４３に効率良く伝達できる。これにより、第１スイッチング素子１１Ｕによって発生した熱をヒートシンク４５に効率良く伝達できるので、放熱性を向上できる。その結果、第１スイッチング素子１１Ｕの温度上昇を抑制できる。
【００２９】
また、本実施形態では、第１スイッチング素子１１Ｕと波長変換層４１との間に、第１スイッチング素子１１Ｕと波長変換層４１とを熱的および電気的に接続するヒートスプレッダ４０が介在している。これにより、第１スイッチング素子１１Ｕの熱を、ヒートスプレッダ４０によって波長変換層４１まで効率良く伝達できる。その結果、第１スイッチング素子１１Ｕおよび波長変換層４１が、配線層２９，３０および絶縁層３２，３３，３４の積層方向に離間して配置されていても、良好な放熱性を実現できる。
【００３０】
図５は、本発明の第２実施形態に係る多層基板５１を示す断面図であって、Ｕ相アーム形成領域２１における第１スイッチング素子１１Ｕが配置された部分の断面図である。図５に示す多層基板５１が前述の多層基板１と異なる点は、ヒートスプレッダ４０に代えて、積層回路（熱伝導部材）５２が形成されている点である。多層基板５１におけるその他の構成は、多層基板１の構成と同様である。図５において、前述の図３等に示された部分に対応する構成には同一の参照符号を付して、説明を省略する。
【００３１】
図５に示すように、積層回路５２は、多層基板１の表面１ａと波長変換層４１との間に配置された中間配線５５を含む。積層回路５２は、さらに、中間配線５５と第２最上層配線２４ｂ（第１スイッチング素子１１Ｕ）とを熱的および電気的に接続する複数のビア５６と、中間配線５５と波長変換層４１とを熱的および電気的に接続する複数のビア５７とを含む。中間配線５５は、配線層３０に形成され、複数のビア５６は、絶縁層３４に形成され、複数のビア５７は、絶縁層３３に形成されている。このような構成によっても、前述の実施形態において述べた効果と同様の効果を奏することができる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の各実施形態では、各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの一例としてＭＯＳＦＥＴが採用された例について説明した。しかし、各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、ＭＯＳＦＥＴに代えて、バイポーラトランジスタまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。
【００３３】
また、前述の各実施形態では、各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗが、一方表面２５および他方表面２６の双方に電極が形成された縦型のスイッチング素子である例について説明した。しかし、各スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、一方表面２５および他方表面２６のいずれか一方のみに電極を有する横型のスイッチング素子であってもよい。
【００３４】
また、前述の各実施形態では、多層基板１，５１が、金属層４３（第２最下層配線２８ｂ）を介して波長変換層４１の反対側の最下絶縁層３２上に接続されたヒートシンク４５を含む例について説明した。しかし、多層基板１，５１は、金属層４３（第２最下層配線２８ｂ）を有していなくてもよい。つまり、多層基板１，５１は、波長変換層４１の反対側の最下絶縁層３２に直接接続されたヒートシンク４５を含んでいてもよい。
【００３５】
また、前述の各実施形態において、多層基板１，５１は、たとえば、三相モータ３を駆動制御するためのパワー基板としてモータ駆動装置に採用されてもよい。この場合、モータ駆動装置は、三相モータ３を収容する金属製のモータハウジングと、モータハウジングの内壁面に取り付けられた多層基板１，５１とを含んでいてもよい。この構成において、モータハウジングの内壁面がヒートシンク４５を兼ねていてもよい。
【００３６】
また、前述の第１実施形態では、第１スイッチング素子１１Ｕが第２最上層配線２４ｂ上に接合された例について説明したが、第２最上層配線２４ｂを除いた構成としてもよい。つまり、前述の第１実施形態において、第１スイッチング素子１１Ｕが、ヒートスプレッダ４０に直接接合されるようにしてもよい。
また、前述の第２実施形態では、第１スイッチング素子１１Ｕが、中間配線５５、複数のビア５６および複数のビア５７を介して波長変換層４１に接続された例について説明した。しかし、第１スイッチング素子１１Ｕは、配線層３０および絶縁層３３，３４を貫通して形成された複数のビアのみによって、波長変換層４１に熱的および電気的に接続されていてもよい。
【００３７】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１…多層基板、１ａ…多層基板の表面、１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ…第１スイッチング素子（回路素子）、１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ…第２スイッチング素子（回路素子）、２９，３０…配線層、３２，３３，３４…絶縁層、４０…ヒートスプレッダ（熱伝導部材）、４１…波長変換層、４５…ヒートシンク（放熱板）、５１…多層基板、５２…積層回路（熱伝導部材）
【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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