(57)【要約】      （修正有）【課題】高耐熱性と高放熱性を実現し、コストパーフォマンスの優れたパワーデバイスモジュール基板とその製造方法を提供する。【解決手段】パワーデバイスモジュール基板は金属体１から形成した導体回路を含む金属構造体に絶縁樹脂５Ａを充填してベースを形成し、さらに外層（表層）部として高耐熱性プライマー絶縁樹脂５Ｂをオーバーコートして２層構造とした基板である。これにより、従来の基板構造、構成を維持したまま、高耐熱性、ベース樹脂保護、表面酸化の抑制が可能となり、ベース絶縁樹脂の耐熱性をさらに高める。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属構造体をコアにベースに絶縁樹脂を充填して構成されるモジュール基板で、その外層部に高耐熱性プライマー絶縁樹脂をオーバーコートして絶縁樹脂の２層構造化を図ることにより、ベース絶縁樹脂の耐熱性をより高め、コストパーフォーマンスの優れた安定、高放熱性、高信頼性を提供することができるパワーモジュール基板とそのモジュール。
【請求項２】
前記プライマー絶縁樹脂は、オーバーコート絶縁樹脂として使用し、ベース絶縁樹脂よりも高いＴｇ（ガラス転移点）、耐熱性など具備し、これらの高耐熱性樹脂による高耐熱の付与、ベース樹脂保護、表面酸化抑制などの利点を活用し、主材のベース樹脂より耐熱性を上げることができる樹脂材料。
プライマー樹脂としては、ベース樹脂より高い耐熱性のエポキシ樹脂、ポリイミド、ＰＥＥＫ、ＰＡＩ、ＬＣＰ、ビスマルイミド含有樹脂、又は無機含有ポリイミドなどが含まれる。
ベース樹脂より耐熱性向上するための材料含む樹脂のいずれかひとつに記載の材料。
【請求項３】
請求項１に充填されるベース絶縁樹脂は、シート状樹脂、またはインク状樹脂を積層、又は、印刷にて充填する熱硬化性、及び熱可塑性などの耐熱性の絶縁樹脂材料。
ＰＥＥＫ、ＰＡＩ、熱可塑性ＬＣＰ（液晶ポリマー）、熱硬化性樹脂のノボラック型、イミダゾール型エポキシ、シアネート樹脂など含む樹脂のいずれかひとつに記載の材料。
【請求項４】
請求項１，２記載のプライマー絶縁樹脂をベース樹脂の外層部にオーバーコートして２層構造化にするパワーモジュール基板の製造方法。
【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（Ｓｉ、ＳｉＣ）などを実装するモジュールの高耐熱、高放熱性、高信頼性を重視したパワーデバイス搭載基板とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】パワー半導体素子（Ｓｉ、ＳｉＣ）などを使った高出力モジュールが普及してきている中で、小型化での高出力対応は一般の樹脂基板、アルミ基板では耐熱性能など不十分で、セラミックなどが使用されるケースが多いが、まだ、性能、コスト、実装、信頼性評価他等で多くの課題があり、顧客が求める市場の要求には満足できていない。【０００３】また、パワー半導体素子（Ｓｉ、ＳｉＣ）等を用いた低損失、高出力を実現する回路モジュールの場合、大電流での駆動、高温動作などに伴い、高放熱、高絶縁、高耐熱性等に適したパワーデバイスモジュールの提供が求められている。【０００４】制御機器、モータ等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高効率インバータなど電力、電流モジュールの変遷が進み、パワー半導体素子、及びパワーデバイスからの影響で発熱が、増加してきている。電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、ロボット太陽光発電、風力発電のパワーコンディショナー、産業用モータ、オン／オフスイッチングロスなどではパワー半導体ＳｉＣ等の採用で電流制御やハイパワー電源、モータ回路など様々な用途で電気的負荷大きく、小型、軽量、高効率化が進められ、この発熱を効率良く放熱するため、パワーモジュールにおいて、現状は熱伝導性を持つ窒化アルミ、窒化珪素などのセラミックス系基板とその表裏に銅板、アルミ板などの金属板を接合したものを利用する場合が多いが、パワーデバイスモジュール基板として顧客が求める市場要求に十分対応ができていない。【０００５】また、低コスト面等から放熱性を改良する基板として、従来のガラスエポキシ樹脂によるプリント基板、絶縁層を介してアルミ金属基板や銅金属基板に片面、もしくは両面に、導体回路を形成する金属ベース基板、銅インレイ基板がある。しかし、現状では、パワー半導体などハイパワーに対する耐熱性、放熱性、接続信頼性などが不足し、課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献】特開２０１４−１６５４８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】上記特許文献に示される構造などに対して、一方でパワー半導体素子などの性能、電力も高くなり、発熱もさらに高まり高温下でのパワー半導体などの安定動作が必要となることから、高耐熱性と高放熱性を両立したパワーモジュールを提供することを目的に、従来のベースになる絶縁樹脂を使用して同じ構造で、ベース絶縁樹脂の耐熱より更に高い２００℃以上の耐熱性を付与することができる手段、方法が好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】実施例として、本発明を適用したパワーデバイスモジュールは、従来構造に複数のパワー半導体素子など実装し、ベース絶縁樹脂の外層に、新たにプライマー樹脂をオーバーコートする２層コート構造を施すことにより、ベース絶縁樹脂よりさらに高い耐熱性を付与することを特徴とする。
絶縁層として使用するベース樹脂は、先の文献で上げた耐熱性エポキシ等あり、プライマー樹脂としては、ベース樹脂より高い耐熱性のエポキシ樹脂、ポリイミド、ＰＥＥＫ、ＰＡＩ、ＬＣＰ、ビスマルイミド含有樹脂、又は無機含有ポリイミドなどが含まれる。
プライマー樹脂は、ベース樹脂より高いＴｇ、耐熱性を持ち、ベース樹脂の外層部に皮膜を形成することで次に述べる特徴を活かすことができる絶縁樹脂材料などが有る。【０００９】ベース絶縁樹脂にプライマー絶縁樹脂をオーバーコートする２層構造化により、ベース絶縁樹脂の持っている耐熱性よりもさらに高い、２００℃以上の耐熱性を付与することができると伴に、放熱性も従来同様に確保することができる。プライマー絶縁樹脂の皮膜をベース絶縁樹脂の外層部に３〜２０μｍ被せる（オーバーコート）ことにより、従来の構造を保ったまま、コストパーフォーマンス優れた、さらに高い耐熱性を付与する。
プライマー絶縁樹脂として、高Ｔｇ（ガラス転移点）、高耐熱性を選定し、ベース樹脂保護、表面酸化抑制などの利点を活かし、皮膜形成によりベース樹脂に高耐熱性を付与することで、低コストでのハイパーフォーマンスな基板を提供する。【００１０】上記の絶縁樹脂層を２層構造化するコーティングプロセス実施例としては、次の二つの方法がある。１つ目の方法は、回路パターン形成前に実施する場合と、２つ目は回路パターン形成後に実施する場合である。
下記（１）は、回路パターンを形成前にプライマー絶縁樹脂をベース絶縁層の外層部にコーティングする場合、（２）は、回路パターンを形成後にプライマー絶縁樹脂をベース絶縁層の外層部にコーティングする方法を述べる。
（１）金属構造体の内層を形成し、絶縁層になるベース樹脂を充填し、平滑研磨を実施する。次に耐熱性の高いプライマー絶縁樹脂でベース絶縁樹脂の外層部全体オーバーコーティングする。コーティング膜厚は同様に３〜２０μｍ程度塗布する。その後、表層回路形成のために銅パターンめっきを実施し、表層パターンの回路形成を実施するプロセスである。
（２）２つ目の方法として、金属構造体の内層を形成し、絶縁層になるベース樹脂を充填したのちに、表層回路形成のための銅パターンめっきを行い、表層パターンの回路形成を実施後に高耐熱性のプライマー絶縁樹脂にベース絶縁層の外層にコーティングする。膜厚は同様に、３〜２０μｍ程度塗布し、平滑研磨にて表層のパターン面などを平滑に仕上げるプロセスである。【００１１】実施例、図１はパワーデバイスモジュール基板の断面構造図を表す。
金属構造体にベース絶縁樹脂５Ａが充填された構造を表している。【００１２】実施例、図２はベース絶縁樹脂５Ａの外層部に耐熱性プライマー樹脂５Ｂをコーティングした絶縁層を２層構造にした場合の断面構造図を表している。
金属構造体にベース絶縁樹脂５Ａが充填され、その外層部にはベース樹脂よりも高耐熱のプライマー絶縁樹脂５Ｂが外層部にコーティングされた絶縁層の２層構造化を示している。【００１３】実施例、図３はパワーデバイスモジュール基板に部品実装後の断面構造図を表している。
１〜複数個のパワー半導体素子が実装（接合）され、従来のベース樹脂層と金属構造体で構成されている。パワー半導体素子の発熱領域には放熱をよくするため金属体が接触した構造となっている。【００１４】実施例、図４は図３に対して耐熱性プライマー絶縁樹脂がベース絶縁樹脂の外層部にコーティングされた状態での２層コート時の部品実装後の断面構造図を表している。
基本的に同じ金属構造体の構造で耐熱性プライマー樹脂５Ｂの皮膜を形成する事によりベース絶縁樹脂５Ａに高耐熱性などを付与し、併せて高放熱性も提供することができる。【００１５】（詳細説明）
実施例の図３、４モジュール基板は金属体構造体に、高耐熱性の熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂をベース絶縁樹脂５Ａと耐熱性プライマー絶縁樹脂５Ｂを２層構造で充填し、放熱部、及び電流回路部とは金属結合で高い接続信頼性を確保するモジュールである。
このモジュールは、高耐熱、高放熱性において最も優れ、ハイパワーの発熱部品搭載可能な大電流、高耐熱、高放熱モジュールとして有効に活用できる。
これにより小型化で高放熱、高耐熱、高絶縁耐圧が確保できるコストパーフォーマンス優れたパワーモジュール基板を提供することができる。【００１６】金属構造体の金属ベース材として、金属板、リードフレーム材などを容易に使用することができ、エッチング、外形加工などでコア部分を形成し、金属体の隣接間、及び上下間は耐熱性絶縁樹脂５Ａの充填により絶縁層を形成し、表層には導体回路形成を行ない、放熱性に優れたパワー半導体部品を直接搭載できるパワーモジュール基板を実現し提供する。
更に、本発明の耐熱性プライマー絶縁樹脂５Ｂをベース絶縁樹脂の外層部にコーティングし、２層構造化にすることにより、２００℃以上の耐熱性を低コストで付与することができる。
金属ベース材としては、銅を主体に無酸素銅（記号：Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（記号：Ｃ１１００）とその他の銅合金、アルミ材など選択して使用することができる。【００１７】本発明の実施例として、金属体の間に充填するベース絶縁樹脂５Ａは、前記のＰＥＥＫ、ＰＡＩ、熱可塑性ＬＣＰ（液晶ポリマー）、熱硬化性樹脂のノボラック型、イミダゾール型エポキシ、シアネート樹脂など選択でき、ボイド発生無きように積層熱プレス、または真空印刷などで充填し、金属構造体との密着性を高め、外層部分の回路面と絶縁層を面一に配線と高放熱を実現するパワーモジュール基板を提供することができる。【００１８】耐熱性樹脂としては、熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂のどちらでも選択でき、耐熱性のエポキシ樹脂類を主体に絶縁耐圧、機械強度高い樹脂などが使用できる。実施例ではエポキシ系樹脂に有機、無機フィラーを含んだ耐熱性の熱硬化タイプ樹脂を使用して充填した。実施例の耐熱性樹脂の絶縁耐圧特性は８０ＫＶ／ｍｍ以上の樹脂を使用した。絶縁樹脂は耐熱、絶縁耐圧性能、各種物性仕様とコストを考慮しながら最適化を図る。実施例の耐熱性プライマーコートに使用する絶縁樹脂５Ｂは、ベース樹脂より高耐熱性のエポキシ樹脂、ポリイミド、ＰＥＥＫ、ＰＡＩ、ＬＣＰ、ビスマルイミド含有樹脂、又は無機含有ポリイミドなどが含まれる。
これにより、コストパーフォーマンスの優れた、より高耐熱性のある最適なパワーモジュール基板を提供する。
【発明の効果】
【００１９】本発明により、従来のパワーデバイスモジュール基板構造でさらに高い耐熱性を付与し、高温環境下、ハイパワー環境下でも信頼性の高い安定動作できる高耐熱、高放熱性、高絶縁性、及びコストパーフォーマンス優れたパワーデバイスモジュール基板を提供することができる。【００２０】（プロセス概要）
コア部分の金属体を中心に先に構造体の導体部分を形成し、配線仕様などに準じ、内層導体回路を先に形成し、その形成した金属構造体層間には、ベース樹脂５Ａの耐熱性絶縁樹脂を充填する。その後、下記のように外層部分に耐熱性高いプライマー絶縁樹脂５Ｂをコーティングし、配線回路を作成する。これにより、高耐熱、高放熱、高絶縁が確保された適切なパワーモジュールを提供する事が出来る。
主な概略プロセスは次の通りとなる。
１）金属構造体の内層にあたる導体部分を金属ベース材にて作成コアになる金属構造体部分を最初に作成する。金属板、又はリードフレーム材などに構造に応じて金型プレス、又はエッチングを実施し、コア部分を最初に形成する。また、さらに構造に応じて凸凹など必要な場合は、さらに追加エッチングなどにて形成を実施する。
２）金属構造体の上下表層部分を研磨、及び金属体部分を全面粗化実施
３）金属構造体に高耐熱性樹脂の充填（印刷、または積層熱プレス）
耐熱性樹脂は熱硬化性、又は熱可塑性樹脂から選択する。
充填、硬化後に外形加工部分の絶縁層の挿入が必要な縁面部をエッチング実施し、粗化後にベースになる耐熱性樹脂を充填する。
４）金属構造体に耐熱性樹脂充填された外層部をセラミックバフにて、上下の表面を研磨してフラットにした後に粗化する。
５）無電解銅メッキ後、電解銅メッキプロセスにより表層全面にパネルメッキを実施する。
６）外層部の配線回路形成のため、感光性エッチングレジスト（又は、感光性ドライフィルムエッチングレジスト）を実施する。
７）感光性エッチングレジスト、又はドライフィルムへの露光工程を実施する。
８）パターンレジストの現像工程を実施する。
９）配線回路形成のため、エッチング工程でパターン形成を実施する。
１０）ベース絶縁樹脂５Ａよりも耐熱性高いプライマー絶縁樹脂５Ｂを外層部分にオーバーコートを３〜２０μｍ程度施して皮膜を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】パワーデバイスモジュール基板の断面構造図
【図２】２層コート時の基板断面構造図
【図３】パワーデバイスモジュール基板に部品実装後の断面構造図
【図４】２層コート時の部品実装後の断面構造図
【符号の説明】
【００２２】  １：金属体（銅板、リードフレーム材）など
２：電流、又は放熱用導体（配線）回路
３：表層部導体（配線）回路
４：内層導体回路
５Ａ：ベース絶縁樹脂
５Ｂ：耐熱性プライマー絶縁樹脂
６：コンデンサ部品（実装）
７：抵抗部品（実装）
８：ソース／ゲート電極
９：放熱部材（アルミヒートシンク）など
１０：パワー半導体（ＳｉＣ）など
１１：金属ブロック
１２：コレクタ電極
１３：銅金属プレート
１４：金属構造体
１５：絶縁放熱材
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２３】図面、符号などに基づき実施例を下記に記述する。【００２４】実施例における、図１は、従来のパワー半導体搭載用基板の構造図を表す。
導体回路、及び表層部は部品搭載用パッドなど有り、導体間はベース絶縁樹脂５Ａによる絶縁樹脂にて形成される。このベース絶縁樹脂５Ａは熱硬化、熱可塑性のどちらでも選択でき、主にノボラック型、イミダゾール型エポキシ、フェノール類他の耐熱高分子材料など選択でき、基本的に耐熱、高絶縁耐圧性を持つ材料を使用する。
外層部に使用する耐熱性の高いプライマー絶縁樹脂５Ｂは、ベース絶縁樹脂より高い耐熱性のエポキシ樹脂、ポリイミド、ＰＥＥＫ、ＰＡＩ、ＬＣＰ、ビスマルイミド含有樹脂、又は無機含有ポリイミドなどが含まれる。
この耐熱性プライマー絶縁樹脂は、ベース樹脂より高いＴｇ、耐熱性を持ち、ベース絶縁樹脂の外層部に皮膜を形成することで耐熱性を高めることができる。
配線導体間の距離、パッドの形状（パターン）などはそれぞれのパワーモジュール仕様、絶縁耐圧に耐えられる沿面距離等を考慮して設計、配置する。通常パワーデバイスが搭載される側は主に高放熱を行うためのヒートシンクなどが配置されるケースが多いが、表裏は金属構造体を直接介した導体金属結合で熱伝導率（約３９０Ｗ／ｍＫ）の良好な放熱動作が行われる構造をとることができ、発熱部が高温になることを緩和することができる。【００２５】金属体としては、種々の合金類、無酸素銅（記号：Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（記号：Ｃ１１００）等が選択でき、例えば、厚みは２００μｍから５００μｍで大電流に対応することができる。
次世代パワー半導体向けなどは５００μｍ以上で、電流量、パワーモジュール仕様に応じて構造を設定することが可能である。従って、加工性、電気伝導性、電流容量、配線、パッド、パターンなど設計考慮し、金属材料、厚みなどを選択して最適化できる。【００２６】金属体の導体回路形成方法としては、エッチングによる形成、金型プレスによる打ち抜きなど種々有り、パターンの同一性、生産性の面から好ましい方を選択できる。
金型プレスによる形成の場合は、バリなどが発生しやすいことから、樹脂充填前には機械研磨、若しくは化学研磨工程を経て、バリ等を事前除去し、滑らかに平坦化しておく必要がある。
機械研磨としてはセラミックバフなど活用し、金属体の上下面に沿って移動させ平坦化する事が出来る。研磨後は、高耐熱性樹脂との密着力をあげるために化学研磨などにより金属構造体の密着部全面に事前に粗化する。【００２７】導体回路形成された金属構造体にベース絶縁樹脂５Ａを充填し、耐熱性プライマー樹脂５Ｂをコーティングするに当たっては、以下の２つの方法がある。
１つ目の方法は、回路パターン形成前に実施する場合と、２つ目は回路パターン形成後に実施する場合である。最初（１）に、回路パターンを形成前に耐熱性プライマー絶縁樹脂コーティングする場合を記載、（２）に回路パターンを形成後に耐熱性プライマー絶縁樹脂をコーティングする方法を述べる。
（１）金属構造体の内層を形成し、絶縁層になるベースベース樹脂５Ａを充填し、平滑研磨を実施する。次に耐熱性の高いプライマー絶縁樹脂５Ｂでベース絶縁樹脂の外層（表層）部全体オーバーコートする。コーティング膜厚は同様に３〜２０μｍ程度塗布する。その後、銅パターンめっきを実施後に、表層パターンの回路形成を実施するプロセス。
言い換えると、従来プロセスで絶縁層にベース絶縁樹脂５Ａを充填後に耐熱性プライマー樹脂５Ｂをオーバーコーティングし、その後に外層回路形成などを実施する方法となる。
（２）２つ目の方法として、金属構造体の内層を形成し、絶縁層になるベース絶縁樹脂５Ａを充填したのちに、回路形成のための銅パターンめっきを行い、表層パターンの回路形成を実施後に耐熱性プライマー絶縁樹脂５Ｂにてコーティングする。コーティング膜厚は、３〜２０μｍ程度塗布し、平滑研磨する。なお、部品実装するパッド部分は半田接合などすることから、平滑研磨などで表層のパターン面を平滑に仕上げるプロセス。
言い換えると、従来プロセスで表層回路形成などを実施し、仕上げの表面処理時に耐熱性プライマー絶縁樹脂５Ｂにて外層（表層）部をコーティング、研磨する方法となる。【００２８】これらの絶縁層の２層構造化を実施することにより、ベースに充填される絶縁樹脂５Ａと耐熱性プライマー絶縁樹脂５Ｂの利点を活かし、高耐熱性を付与することで、低コストでハイパーフォーマンスなパワーデバイスモジュール基板を提供することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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