パワーモジュール用絶縁放熱基板
【課題】回路層や熱拡散層等として使用される金属層と高熱伝導絶縁粒子との間の接触熱抵抗の増大を抑制できるパワーモジュール用絶縁放熱基板の提供。
【解決手段】一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に設置される冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板Ｐであって、少なくとも、絶縁樹脂基板１と、当該絶縁樹脂基板の表裏に積層された金属層３，４と、当該絶縁樹脂基板中に配置された高熱伝導絶縁粒子２とを有し、且つ、当該両金属層と高熱伝導絶縁粒子とが、当該高熱伝導絶縁粒子の絶縁樹脂基板からの露出面に設けられた鉤状の凹部に、当該金属層の一部が噛み合わせ状に食い込んだ状態で接続されていることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【解決手段】一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に設置される冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板Ｐであって、少なくとも、絶縁樹脂基板１と、当該絶縁樹脂基板の表裏に積層された金属層３，４と、当該絶縁樹脂基板中に配置された高熱伝導絶縁粒子２とを有し、且つ、当該両金属層と高熱伝導絶縁粒子とが、当該高熱伝導絶縁粒子の絶縁樹脂基板からの露出面に設けられた鉤状の凹部に、当該金属層の一部が噛み合わせ状に食い込んだ状態で接続されていることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子からの発熱量が非常に大きいパワーモジュール用絶縁放熱基板に関し、特に、放熱性の向上及び薄型化を図ったパワーモジュール用絶縁放熱基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高電圧・大電流での動作が可能なＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体チップを搭載してなるパワーモジュールは、当該半導体チップからの発熱量が非常に大きいため、従来より、冷却器（例えば、水冷式の冷却器）を取り付けて、素早く放熱できるような対策が採られてきた。
このようなパワーモジュールの一例（例えば、特許文献１参照）を、図１３に示した概略断面図を用いて説明する。
【０００３】
当該パワーモジュールＰＭは、セラミックスからなる絶縁基板２０の一方の面に回路層３、他方の面に熱拡散層４を備えた絶縁放熱基板Ｐｇと、当該回路層３上にはんだ１８を介して搭載された半導体チップ１９と、当該熱拡散層４の下面にはんだ１８を介して接合された放熱体２２と、当該放熱体２２の下面に取付ねじ２３によって取り付けられた冷却器８とを有する構成となっており、半導体チップ１９からの発熱を、絶縁放熱基板Ｐｇ、放熱体２２を伝って冷却器８に伝達し、最終的に当該冷却器８内の冷却水９によって外部に放散するという仕組みになっている。
【０００４】
因みに、各部材の具体例は以下の通りである。
即ち、『絶縁基板２０』はＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ等、『回路層３、熱拡散層４、放熱体２２』はＣｕ、Ａｌ等、『低熱膨張材２１』はインバー合金等である。
【０００５】
このようなパワーモジュールＰＭは、近年、特に注目を集めている電気自動車やハイブリッド自動車に使用されるようになり、更なる高出力化と小型化が求められている。
【０００６】
そこで、前記要求に応えるための最も簡単な手段としては、単純にセラミックスからなる絶縁基板２０の厚さを薄くすることが考えられる。なぜなら、絶縁基板２０を薄型化すれば、パワーモジュールＰＭ全体を小型化できるとともに、薄くした分、伝熱抵抗の低抵抗化を図れるからである｛即ち、金属からなる回路層３や熱拡散層４よりも伝熱抵抗が高い絶縁基板（セラミックス基板）２０が薄くなるため、半導体チップ１９からの発熱を素早く冷却器８側に伝えることができる｝。
【０００７】
しかし、セラミックスは薄くすると非常に割れやすくなるため、薄型化するにも限界があり（例えば、ＩＧＢＴを搭載する１ｃｍ□以上の基板としてＡｌＮ基板を採用した場合、最低でも０．６〜０．７ｍｍ程度の厚さが必要である）、その結果、絶縁基板２０として、熱伝導率の高いＡｌＮ（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ）を使用したとしても、期待される程の放熱効果は得られないというものであった。
【０００８】
従って、板厚を薄くしても割れにくい絶縁樹脂基板を絶縁基板として用い、当該絶縁樹脂基板の表裏に形成される回路層と熱拡散層との間を、「高熱伝導性」「絶縁性」「硬質性」に優れるセラミックス等からなる粒子（以後これを「高熱伝導絶縁粒子」と呼ぶことにする）で熱的に接続させるというのが、パワーモジュールの薄型化と伝熱抵抗の低抵抗化を図る手段として有効であると考えられ、既にこのような構成のものが特許文献２に開示されている（図１４参照）。
【０００９】
図１４は、パワーモジュールに用いられる絶縁放熱基板Ｐｈ（図１３に示した「絶縁放熱基板Ｐｇ」に相当）の要部拡大断面図を示したものであり、その構成は、エポキシやポリイミドなどの熱硬化性樹脂からなる絶縁樹脂基板１と、当該絶縁樹脂基板１の表裏にそれぞれ積層された回路層３、熱拡散層４（「回路層３」「熱拡散層４」は、特許文献１と同様にＣｕやＡｌ等からなる）と、当該絶縁樹脂基板１よりも厚く、且つ、当該回路層３、熱拡散層４よりも硬い高熱伝導絶縁粒子２ａ[ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＢＮ等の熱伝導率がＡｌ2Ｏ3よりも高い５０Ｗ／ｍＫ以上の粒子（好ましく１５０Ｗ／ｍＫ以上の粒子）]とを有するものである。そして、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂから突出する高熱伝導絶縁粒子２ａの突出部１３をそれぞれ回路層３、熱拡散層４に貫入させ、両者の接触熱抵抗を小さくする構造とすることによって（即ち、貫入させることにより、単に両者を接触させる構造よりも接触熱抵抗を小さくできる）、絶縁樹脂基板１の熱伝導率の低さ（例えば、Ａｌ2Ｏ3などの高熱伝導フィラー入りのエポキシ樹脂の場合でも、熱伝導率は３Ｗ／ｍＫ程度である）を補い、以て、期待される放熱効果を得ようとするもである。
【００１０】
しかし、図１４の構成においては、絶縁層全体（高熱伝導絶縁粒子２ａを含む絶縁樹脂基板１に相当）の熱伝導率は高いものの、回路層３及び熱拡散層４と、当該高熱伝導絶縁粒子２ａとの間に無視できないほどの大きな接触熱抵抗が存在するため、図１３に示した絶縁放熱基板Ｐｇと同様に、期待される程の放熱効果は得られないというのが実情であった。
【００１１】
その理由は、回路層３及び熱拡散層４と、高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続構造に原因があった。
この原因について、回路層３と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接触界面を示した図１５を用いて説明する（熱拡散層４についても同様の接続構造となるため、説明の便宜上、熱拡散層４と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続構造については説明を省略した）。
【００１２】
回路層３と高熱伝導絶縁粒子２ａとの貫入接続は、図１５（ａ）に示したように、高熱伝導絶縁粒子２ａに対して、後に回路層３となる金属箔３ａ（図に示した部分は、金属箔３ａのマット面、即ち、アンカーパターン６を示したものである）を矢印の方向にプレス加工することによって行われるのであるが、当該金属箔３ａ（回路層３）と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続構造は、図１５（ｂ）に示したように、表面状態が単なる凹凸形状２４（大判の高熱伝導材を粒子状に粉砕したときの凹凸形状）のままの高熱伝導絶縁粒子２ａを、金属箔３ａ（回路層３）に貫入させるだけの構造であったため、両者間の接続強度は殆どないに等しいものであった。このような接続状態で、絶縁樹脂基板１が半導体チップからの発熱により膨張するため｛即ち、回路層３と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接触界面２５（図１５（ｂ）参照）を押し広げてしまう｝、回路層３と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接触界面２５に図１５（ｃ）に示したような剥離部２６を発生させ、両者間の接触熱抵抗の増大を引き起こしていたのである。尚、図１５（ｃ）においては、剥離現象を分かりやすくするために、実際のものよりも誇張した状態を示した。
【００１３】
因みに、特許文献２には、回路層３及び熱拡散層４と、高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続性を向上させるために、当該高熱伝導絶縁粒子２ａの表面に、ＣｕめっきやＮｉめっきを施すという手段が示されているが、金属同士を熱圧着してもそれほど高い接続強度は得られず、そもそも絶縁樹脂よりもめっきの密着性が低いセラミックス等からなる高熱伝導絶縁粒子２ａの表面状態が、上記でも説明したように、単なる凹凸形状２４のままであるため、当該高熱伝導絶縁粒子２ａとめっきとの接触状態は極めて不安定なものとなり、結局、回路層３及び熱拡散層４と、高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続強度を満足のいく強度とするには至らなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−１５３０７５号公報
【特許文献２】特開２００５−２３６２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、パワーモジュール用絶縁放熱基板の絶縁基板として絶縁樹脂基板を用いた場合においても、金属層（回路層や熱拡散層等として使用される金属層）と高熱伝導絶縁粒子との間の接触熱抵抗の増大を抑制できるパワーモジュール用絶縁放熱基板を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に取り付けられる冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板であって、少なくとも、絶縁樹脂基板と、当該絶縁樹脂基板の表裏に積層された金属層と、当該絶縁樹脂基板中に配置された高熱伝導絶縁粒子とを有し、且つ、当該両金属層と高熱伝導絶縁粒子とが、当該高熱伝導絶縁粒子の絶縁樹脂基板からの露出面に設けられた鉤状の凹部に、当該金属層の一部が噛み合わせ状に食い込んだ状態で接続されていることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板により上記課題を解決したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体チップからの発熱が絶縁放熱基板に流入した場合においても、高熱伝導絶縁粒子と金属層との間の接触熱抵抗を常温時とほぼ同じ状態に維持することができ、以て、半導体チップから発せられた熱を素早く冷却器側へ逃がすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための第一の実施の形態を説明するための概略断面製造工程図。
【図２】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板に用いられる高熱伝導絶縁粒子の表面状態を説明するための概略断面図。
【図３】金属箔と高熱伝導絶縁粒子との接続状態を説明するための要部拡大断面図。
【図４】図１（ｅ）と同様のパワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための概略断面製造工程図。
【図５】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板に直接冷却器を取り付けた構成例を説明するための概略断面図。
【図６】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための第二の実施の形態を説明するための概略断面製造工程図。
【図７】金属層としてめっきを析出した場合の金属層と高熱伝導絶縁粒子との接続状態を説明するための要部拡大断面図。
【図８】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための第三の実施の形態を説明するための概略断面製造工程図。
【図９】図８（ｃ）の状態を詳しく説明するための要部拡大断面図。
【図１０】図８（ｅ）と同様のパワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための概略断面製造工程図。
【図１１】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための第四の実施の形態を説明するための概略断面製造工程図。
【図１２】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板の第五の実施の形態を説明するための概略断面図。
【図１３】従来のパワーモジュールの構成を説明するための概略断面図。
【図１４】従来のパワーモジュールに用いられる絶縁放熱基板の問題点を解決する従来のパワーモジュール用絶縁放熱基板の構成を説明するための概略断面図。
【図１５】図１４のパワーモジュール用絶縁放熱基板の問題点を説明するための要部拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の第一の実施の形態を図１（ｅ）を用いて説明する。尚、従来技術と同じ部位には同じ符号を付すようにした。
【００２０】
図１（ｅ）は、本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板（以降これを単に「絶縁放熱基板」と表記する）Ｐの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐは、絶縁樹脂基板１と、当該絶縁樹脂基板１の表面に積層された回路層３及び同基板１の裏面に積層された熱拡散層４と、当該絶縁樹脂基板１中に配置された高熱伝導絶縁粒子２とを有し、且つ、当該回路層３及び熱拡散層４と、高熱伝導絶縁粒子２とが、当該高熱伝導絶縁粒子２の絶縁樹脂基板１表面Ａ及び裏面Ｂからの突出露出面、すなわち突出部１３の表面に設けられた鉤状の凹部５に、当該回路層３及び熱拡散層４の一部が噛み合わせ状に食い込んだ状態で接続されているものである（図３（ｂ）参照）。
【００２１】
本発明において、「鉤状の凹部」とは、図２及び図３（ａ）に示されているように、予め水酸化ナトリウムや弗酸などで処理して高熱伝導絶縁粒子２の表面に形成された凹部５で、その内部において開口部５ａの間口エリアから外れた抉れ部５ｂを有するものを云う。
【００２２】
続いて、上記絶縁放熱基板Ｐの製造方法を図１を用いて説明する。
【００２３】
まず、図１（ａ）に示したように、金属箔４ａの一方の面に、大きさをある程度揃えた高熱伝導絶縁粒子２（当該大きさとしては、後に形成される絶縁樹脂基板の厚さよりも厚みがあり、且つ、当該絶縁樹脂基板の表裏に金属層を積層した際に、当該金属層を貫通しない程度の大きさである）で、その表面に鉤状の凹部５（図２，図３（ａ）参照）が予め形成されたものを、配置位置に偏りが生じないようにマスクなどを介して配置した後、当該金属箔４ａ上に配置された高熱伝導絶縁粒子２を挟むように金属箔３ａを配置し（図１（ｂ）参照）、次いで、後に金属箔３ａと金属箔４ａとの間に形成される絶縁樹脂基板１の厚さ分のスペースが空くようにスペーサー等（図示省略）を介してプレス加工を行い、当該高熱伝導絶縁粒子２の一部（図１(ｅ)に示した「突出部１３」に相当）を金属箔３ａ、４ａに突入させるとともに（図１（ｃ）参照）、当該高熱伝導絶縁粒子２の表面に設けられた鉤状の凹部５に、当該金属箔３ａ及び金属箔４ａの一部を噛み合せ状に食い込ませる（図３（ａ），（ｂ）参照）。
【００２４】
ここで、金属箔３ａ、４ａの材料としては、熱伝導率が高く、高熱伝導絶縁粒子２よりも軟らかいものであれば特に限定されるものではないが、一般的に使用されるＣｕやＡｌ等（例えば、厚さ１５０μｍ〜３００μｍ程度のＣｕ箔やＡｌ箔等）が熱伝導性や電気特性などを考慮した場合に好ましく、また、高熱伝導絶縁粒子２の材料としては、絶縁性と比較的高い熱伝導率を兼ね備えたセラミックスが使用でき、例えば、Ａｌ2Ｏ3（熱伝導率：２０Ｗ／ｍｋ）、ＳｉＣ、ＳｉＮ（熱伝導率：７０Ｗ／ｍｋ）、ＡｌＮ（熱伝導率：１７０Ｗ／ｍｋ）等が挙げられるが、必要とする放熱性能に応じて選択することができる。
【００２５】
次に、図１（ｃ）に示した矢印のように、金属箔３ａ、４ａの間に液状絶縁樹脂１ａを流し込んだ後、当該液状絶縁樹脂１ａを硬化して絶縁樹脂基板１とする（図１（ｄ）参照）。
【００２６】
ここで、当該液状絶縁樹脂１ａ（絶縁樹脂基板１）としては、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエチレン、液晶ポリマー、アクリル、ポリカーボネート、シリコーン等が挙げられるが、特に、耐熱性、応力緩和性がより優れているという点で液晶ポリマーが好ましい。
尚、図には示していないが、上記樹脂中に、高熱伝導絶縁粒子２と同質材料で、且つ、当該高熱伝導絶縁粒子２よりも径が小さいフィラーを、絶縁樹脂基板１の応力緩和性に影響が出ない範囲で充填するのが、高熱伝導粒子２を含む絶縁樹脂基板１の全熱抵抗を下げる（即ち、熱伝導率を上げる）上で好ましい。
【００２７】
そして最後に、金属箔３ａ、４ａに対して周知のフォトエッチングプロセス（当該金属箔３ａ、４ａの表面にエッチングレジスト用のドライフィルムをラミネートした後、露光・現像でエッチングレジストパターンを形成し、次いで、エッチングレジストパターンから露出した金属箔３ａ、４ａをエッチング除去して、配線回路を形成する工程）で回路形成を施し、回路層３と熱拡散層４とを形成することによって、図１（ｅ）の絶縁放熱基板Ｐを得る。
【００２８】
本実施の形態の注目すべき点は、金属箔３ａ、４ａ（回路層３や熱拡散層４等として使用される金属箔）と熱的に接続される高熱伝導絶縁粒子２として、表面に鉤状の凹部５が形成されたものを用い、当該金属箔３ａ、４ａと、当該高熱伝導絶縁粒子２との接続構造として、当該金属箔３ａ、４ａの一部を当該鉤状の凹部５に噛み合わせ状に食い込ませた点である（図１（ｂ）〜（ｃ）工程で行われるプレス工程の要部拡大断面図を示した図３（ａ）、（ｂ）参照）。
【００２９】
これにより、半導体チップから発せられた熱が絶縁放熱基板Ｐに流入し、当該絶縁放熱基板Ｐの絶縁樹脂基板１が膨張した場合においても、高熱伝導絶縁粒子２と金属箔３ａ，４ａ（即ち、回路層３及び熱拡散層４）との接触熱抵抗を常温時と略同じ状態に維持することができるため、当該熱を素早く冷却器側へ逃がすことができる（即ち、絶縁樹脂基板１における縦方向の膨張量が高熱伝導絶縁粒子２のそれより大きくても、高熱伝導絶縁粒子２と金属箔３ａ，４ａとの接触部にアンカー効果が働き、両者の接触界面に図１５（ｃ）に示したような剥離部２６が発生しないため、両者の接触熱抵抗の増大を抑制できる）。
【００３０】
次に、図１（ｅ）に示した絶縁放熱基板Ｐと同様の構造の絶縁放熱基板Ｐａを得るための他の製造方法について図４を用いて説明する（使用される金属箔、高熱伝導絶縁粒子、絶縁樹脂の種類などは図１で説明したのと同じであるため、その説明については省略する）。
【００３１】
まず、図４（ａ）に示したように、金属箔４ａの表面に半硬化状態の絶縁樹脂フィルム１ｂを積層し、次いで、図４（ｂ）に示したように、表面に鉤状の凹部５が形成された高熱伝導絶縁粒子２を当該絶縁樹脂フィルム１ｂ上に配置する（配置方法としては、図１で説明したのと同様にマスクなどを介して行う）。
【００３２】
次に、絶縁樹脂フィルム１上に配置された高熱伝導絶縁粒子２を金属箔４ａと挟むように金属箔３ａを配置し（図４（ｃ）参照）、次いで、プレス加工を行うことによって、当該高熱伝導絶縁粒子２の一部[図４（ｅ）に示した突出部１３に相当]を金属箔３ａ、４ａに突入させるとともに、当該高熱伝導絶縁粒子２の表面に設けられた鉤状の凹部５に、当該金属箔３ａ及び金属箔４ａの一部を噛み合せ状に食い込ませ、当該絶縁樹脂フィルム１ｂを硬化させて絶縁樹脂基板１とする（図４（ｄ）参照）。
【００３３】
そして最後に、金属箔３ａ、４ａに回路形成を施し、回路層３及び熱拡散層４を形成することによって、図１（ｅ）のものと同様の構造からなる絶縁放熱基板Ｐａを得る（図４（ｅ）参照）。
【００３４】
以上のように、図４の製造方法においては、図１（ｃ）の工程のように、絶縁樹脂基板１を形成する手段として液状絶縁樹脂１ａを金属箔３ａ、４ａ間に流し込むといった手間のかかる工程が不要になるため、図１の製造工程よりも容易に絶縁放熱基板を得ることができる。
【００３５】
次に、本発明の第二の実施の形態を図６（ｅ）を用いて説明する。
【００３６】
図６（ｅ）は、本発明絶縁放熱基板Ｐｂの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐｂは、回路層１１及び熱拡散層１２を、無電解めっき１０、電解めっき１１ａ、１２ａから形成した以外は、図１（ｅ）、図４（ｅ）の構造のものと同様のものである。
【００３７】
続いて、上記絶縁放熱基板Ｐｂの製造方法を図６を用いて説明する。
【００３８】
まず、図１（ａ）〜（ｄ）又は図４（ａ）〜（ｄ）に示した製造工程により、図１（ｄ）又は図４（ｄ）と同じ構造の基板を作製し（図６（ａ）参照）、次いで、絶縁樹脂基板１の表裏に積層された金属箔３ａ、４ａをエッチングにより除去する（図６（ｂ）参照）。
【００３９】
次に、過マンガン酸ナトリウム系あるいは過マンガン酸カリウム系のデスミア処理を行うことによって、絶縁樹脂基板１の表面を粗化処理するとともに、露出している高熱伝導絶縁粒子２の表面に設けられた鉤状の凹部５内に巻き込まれた樹脂を除去する（図６（ｂ）参照）。
【００４０】
次に、図６（ｃ）に示したように、厚さ０．３〜３μｍの無電解めっき１０（例えば「無電解Ｃｕめっき」）を全面に析出させた後、厚さ１５０μｍ〜３００μｍ程度の電解めっき１１ａ、１２ａ（例えば、「電解Ｃｕめっき」）を析出させる（図６（ｄ）参照）。
【００４１】
そして最後に、無電解めっき１０、電解めっき１１ａ及び１２ａに対して回路形成を施し、回路層１１及び熱拡散層１２を形成することによって、図６（ｅ）の絶縁放熱基板Ｐｂを得る。
【００４２】
本実施の形態の注目すべき点は、回路層１１及び熱拡散層１２を無電解めっき１０及び電解めっき１１ａ、１２ａで形成した点である。
【００４３】
これにより、回路層３及び熱拡散層４を金属箔から形成する図１、図４の構成で見られた鉤状の凹部５内の金属未充填部７（図３（ｂ）参照）を無くすことができるため（図７参照）、絶縁放熱基板Ｐ、Ｐａよりも初期接触熱抵抗を小さくすることができる（即ち、熱を素早く冷却器側に逃がすことができる）。
【００４４】
また、上記第二の実施の形態では、無電解めっき１０として「無電解Ｃｕめっき」を析出する例を示したが、当該無電解Ｃｕめっきよりも結晶粒径が小さい「無電解Ｎｉめっき」を析出すれば、無電解Ｃｕめっきよりも緻密なめっき膜を析出できるため、初期接触熱抵抗をより小さくすることができる。
尚、当該無電解Ｎｉめっきの種類としては、無電解ＮｉＰめっき、無電解ＮｉＢめっき等、何れのＮｉめっきも利用可能であるが、中でも熱伝導率が最も高いＮｉＢめっきを選択するのがより初期接触熱抵抗を小さくできる点で好ましい。
【００４５】
因みに、上記第二の実施の形態における回路層１１および熱拡散層１２の形成手段として、無電解めっき１０上に電解めっき１１ａ及び１２ａを析出させた後、エッチング（フォトエッチングプロセス：サブトラクティブ法）により形成する例を示したが、パターンめっきで回路を形成するアディティブ法（無電解めっき１０を全面に形成した後、めっきレジストパターンを形成し、次いで、めっきレジストパターン非形成部に電解めっき１１ａ、１２ａを析出させた後、めっきレジストパターンの除去及び当該めっきレジストパターンの除去によって露出した無電解めっき１０をフラッシュエッチングで除去する回路形成手段）で形成することももちろん可能である。
【００４６】
次に、本発明の第三の実施の形態を図８（ｆ）を用いて説明する。
【００４７】
図８（ｆ）は、本発明絶縁放熱基板Ｐｃの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐｃは、高熱伝導絶縁粒子２の露出面が、図８（ｃ）に示したように、当該絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂから突出することなく当該表面Ａ及び裏面Ｂと面一となっている以外は、図６（ｅ）の構造のものと同様のものである。
【００４８】
続いて、上記絶縁放熱基板Ｐｃの製造方法を図８を用いて説明する。
【００４９】
まず、図８（ｂ）の構造の基板を、図６（ａ）〜図６（ｂ）と同じ工程により形成する。
【００５０】
次に、図８（ｂ）に示したように、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂから突出した高熱伝導絶縁粒子２の突出部１３を、平面研磨やブラスト処理などにより除去することによって、当該絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂと、当該高熱伝導絶縁粒子２の露出面とを平坦な面一にする（図８（ｃ）参照）。
【００５１】
次に、デスミア処理を行った後、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂと平坦な高熱伝導絶縁粒子２の露出面を粗化処理して鉤状の凹部５を形成し（図９に示した要部拡大断面図参照。因みに、符号１４は金属箔３ａ、４ａをエッチング除去した際に絶縁樹脂基板１に形成されたアンカーパターン６と同形状の「粗化層」である）、次いで、図８（ｄ）に示した無電解めっき１０の析出から図８（ｆ）の回路形成までの工程を図６（ｃ）〜図６（ｅ）と同じ工程で行うことによって、図８（ｆ）の絶縁放熱基板Ｐｃを得る。
【００５２】
本実施の形態の注目すべき点は、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂと、高熱伝導絶縁粒子２の露出面とを面一にし、当該高熱伝導絶縁粒子２を回路層１１及び熱拡散層１２内に突入させない構造とした点である。
【００５３】
これにより、金属よりも熱伝導率の低い高熱伝導絶縁粒子２が、金属からなる回路層１１及び熱拡散層１２側に突出しないため、当該高熱伝導絶縁粒子２が回路層３及び熱拡散層４側に突出する第一、第二の実施の形態のものよりも熱を素早く逃がすことができる。
【００５４】
次に、図８（ｆ）に示した絶縁放熱基板Ｐｃと同様の構造の絶縁放熱基板Ｐｄを得るための他の製造方法について図１０を用いて説明する。尚、図１０に示した製造工程図は、図８の工程と異なる工程のみを示したため、共通の工程に関しては、図８の製造工程図を用いることにした。また、最終的に得られる絶縁放熱基板Ｐｄの構成も、図８（ｆ）のものと同様の構成となるため、図８（ｆ）を共通図面として用いることにした。
【００５５】
まず、図８（ａ）の基板の金属箔３ａ、４ａにエッチング処理を施し、当該金属箔３ａ、４ａを、例えば１〜５μｍ程度まで薄層化する（図１０（ａ）の薄層化された金属箔３ｂ、４ｂ参照）。
【００５６】
次に、図１０（ａ）の状態の基板に対して、平面研磨を施すことにより、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂと、当該高熱伝導絶縁粒子２の露出面とを平坦な面一にする（図１０（ｂ）参照）。尚、図１０（ｂ）に示した絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂの状態は、図１０（ｃ）の要部拡大断面図に示したように、金属箔３ａ、４ａのアンカーパターン６が残った状態となっている。
因みに、上記平坦な面一化方法では、金属箔３ａ、４ａを薄層化してから研磨を行う例を示したが、箔層化せずに研磨のみで平坦な面一にすることももちろん可能である。
【００５７】
次に、デスミア処理を行った後、図１０（ｄ）に示したように、高熱伝導絶縁粒子２の絶縁樹脂基板１からの露出面を粗化して鉤状の凹部５を形成し、次いで、図１０（ｅ）に示した無電解めっき１０の析出工程以降の工程を、図８（ｄ）〜図８（ｆ）｛即ち、図６（ｃ）〜図６（ｅ）｝と同じ工程で行うことによって、図８（ｆ）の絶縁放熱基板Ｐｄを得る。
【００５８】
図１０の製造工程で得られた絶縁放熱基板Ｐｄと、図８の製造工程で得られた絶縁放熱基板Ｐｃとは、放熱性能的には同じであるが、絶縁樹脂基板１に直接無電解めっき１０を析出させる絶縁放熱基板Ｐｃと比較した場合（図９、図８(ｄ)参照）、無電解めっき１０を金属箔３ａ、４ａのアンカーパターン６を介して析出させる絶縁放熱基板Ｐｄの方が、当該無電解めっき１０と絶縁樹脂基板１との密着強度を向上できるという点で優れている（図１０（ｃ）、（ｅ）参照）。
【００５９】
次に、本発明の第四の実施の形態を図１１（ｄ）を用いて説明する。
【００６０】
図１１（ｄ）は、本発明の絶縁放熱基板Ｐｅの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐｅは、絶縁樹脂基板として補強繊維１５入りの絶縁樹脂基板１ｄを用い（ここでは、半導体チップ１９の搭載エリアに対応する絶縁樹脂１７のみからなる部分も含んで絶縁樹脂基板１ｄとする）、また、高熱伝導絶縁粒子２の配置位置を、当該半導体チップ１９の搭載エリアに対応する部分にのみ配置した以外は、図１（ｅ）や図４（ｅ）に示したものと同様のものである。
【００６１】
続いて、上記絶縁放熱基板Ｐｅの製造方法を図１１を用いて説明する。
【００６２】
まず、金属箔４ａの一方の面に、後に搭載される半導体チップ１９の搭載エリアに対応した部分に開口部１６を有する補強繊維１５入りの絶縁樹脂フィルム１ｃ(例えばプリプレグ等)を配置し（図１１（ａ）参照）、次いで、当該開口部１６内に、表面に鉤状の凹部５が形成された高熱伝導絶縁粒子２を充填する（図１１（ｂ）参照）。
【００６３】
次に、当該絶縁樹脂フィルム１ｃの開口部１６内に充填された高熱伝導絶縁粒子２を金属箔４ａと挟むように金属箔３ａを配置し（図１１（ｂ）参照）、次いで、プレス加工を行うことによって、当該高熱伝導絶縁粒子２の一部を金属箔３ａ、４ａに突入させるとともに、当該高熱伝導絶縁粒子２の表面に設けられた鉤状の凹部５に、当該金属箔３ａ及び金属箔４ａの一部を噛み合せ状に食い込ませ、当該絶縁樹脂フィルム１ｃを硬化させて絶縁樹脂基板１ｄとする（図１１（ｃ）参照）。尚、図１１（ｃ）に示した符号１７はプレス加工の際に絶縁樹脂フィルム１ｃから流れ出た「絶縁樹脂」である。
【００６４】
そして最後に、金属箔３ａ、４ａに対して回路形成を施し、回路層３と熱拡散層４とを形成することによって、図１１（ｄ）の絶縁放熱基板Ｐｅを得る。
【００６５】
本実施の形態の注目すべき点は、高熱伝導絶縁粒子２を、硬化後に絶縁樹脂基板１ｄとなる絶縁樹脂フィルム１ｃに設けた開口部１６をガイドにして、半導体チップの搭載エリアに対応する部分にのみ配置するようにした点である。
【００６６】
これにより、半導体チップの搭載エリアに対応する部分のみに容易に高熱伝導絶縁粒子を配置することができ、また、高価な高熱伝導絶縁粒子の使用量を大幅に削減できるため、絶縁放熱基板を安価なものとすることができる。
【００６７】
更に、絶縁樹脂基板として補強繊維入りの絶縁樹脂基板（例えば、ガラス織布あるいはガラス不織布にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグ等の絶縁樹脂フィルムを硬化させたもの）を用いたことも注目すべき点である。
これにより、パワーモジュールが大型の場合においても反りを抑制することができる。
【００６８】
尚、図１１の構成においては、絶縁樹脂基板の表裏に形成される回路層３及び熱拡散層４の形成手段として、積層された金属箔をエッチングして回路形成する例のみを説明したが、もちろん、図６の構成と同様に、めっきで形成することも可能である。
【００６９】
次に、本発明の第五の実施の形態を図１２を用いて説明する。
【００７０】
図１２は、本発明の絶縁放熱基板Ｐfの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐｆは、絶縁樹脂基板として補強繊維１５入りの絶縁樹脂基板１ｄを用い（ここでは、半導体チップ１９の搭載エリアに対応する絶縁樹脂１７のみからなる部分も含んで絶縁樹脂基板１ｄとする）、また、高熱伝導絶縁粒子２の配置位置を 当該半導体チップ１９の搭載エリアに対応する部分にのみ配置した以外は、図８（ｆ）に示した絶縁放熱基板Ｐｃ、Ｐｄと同様のものである。
【００７１】
尚、図１２の絶縁放熱基板Ｐｆの製造方法に関しては、図１１(ｃ)の状態の基板を図８（ａ）の工程に適用すれば、図８、図１０の製造工程により容易に得られるため、その説明については省略する。
【００７２】
因みに、図１１、図１２の構成においては、絶縁樹脂フィルムとして、補強繊維入りのものを用いて説明したが、パワーモジュールが大型でなく、反りの懸念が無い場合には、補強繊維が入っていない絶縁樹脂フィルムを用いることも可能である。
【００７３】
本発明を説明するに当たって、高熱伝導絶縁粒子と金属層（回路層、熱拡散層等としての金属層）との間の接触熱抵抗の増大を抑制する手段として、高熱伝導絶縁粒子に設けた鉤状の凹部に、金属層の一部を噛み合わせ状に食い込ませる例を説明してきたが、絶縁樹脂基板に用いる絶縁樹脂として、横方向の線膨張係数よりも縦方向の線膨張係数が小さい異方性線膨張樹脂を用いれば、絶縁放熱基板の放熱信頼性をより向上させることができる。
【００７４】
また、金属箔３ａ、４ａを回路形成することによって、回路層３及び熱拡散層４を形成する図１、図４、図１１の構成において、当該熱拡散層４として、金属層内部に冷却水９を備えた冷却器８を直接積層すれば、回路層３から冷却器８への伝熱距離を短くでき、以て、半導体チップからの発熱をより一層素早く放散できる（図５参照）。
【００７５】
尚、高熱伝導絶縁粒子として球状のものを用いて説明してきたが、当該高熱伝導絶縁粒子が塊状であることをイメージし易くするために球状にしただけであって、実際の形状と異なることはいうまでもない。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例を挙げて本発明の絶縁放熱基板の構成をより詳しく説明する。
尚、実施例としては、図４（ｅ）と図１２に示した絶縁放熱基板Ｐａ、Ｐｆの製造例を用いることとし、また、当該絶縁放熱基板Ｐｆの構成における絶縁樹脂基板として、絶縁放熱基板Ｐａと同様に内部に補強繊維が含まれていない場合の構成について説明する。
【００７７】
実施例１：図４（ｅ）に示した絶縁放熱基板Ｐａの製造例。
まず、後に熱拡散層として使用される厚さ０．３ｍｍ、熱伝導率４００Ｗ／ｍＫからなる無酸素銅箔（住友金属鉱山伸銅社製）の一方の面に、厚さ０．１５ｍｍ、熱伝導率３Ｗ／ｍＫの絶縁樹脂（エポキシ）フィルム(新神戸電機社製：ＨＴＳ−３Ｗ)を配置し、次いで、当該絶縁樹脂フィルムの表面に、マスクを介して高熱伝導絶縁粒子をムラなく配置した。尚、高熱伝導絶縁粒子としては、大きさが約φ０．３５ｍｍ、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫからなるＡｌＮの破砕品（トクヤマ社製）を、濃度１ｍｏｌ／ｌ（常温）の水酸化ナトリウム溶液に３０分浸漬処理して、表面に鉤状の凹部を形成せしめたものを用いた。
【００７８】
次に、高熱伝導絶縁粒子が配置された絶縁樹脂フィルムの表面に、後に回路層となる銅箔（上記銅箔と同じもの）を配置した後、温度２００℃、圧力５ＭＰａの条件で積層プレス加工を行い、次いで、塩化第二銅溶液によるエッチング処理で回路層及び熱拡散層を形成することによって、図４（ｅ）の構成の絶縁放熱基板を得た。
【００７９】
上記実施例１の製造方法で得られた絶縁放熱基板の断面観察を行なった結果、僅かに銅箔未充填部が確認されたが、高熱伝導絶縁粒子の表面に設けられた鉤状の凹部に、回路層及び熱拡散層としての銅箔の一部が噛み合わせ状に食い込んでいることが確認できた。
【００８０】
実施例２：図１２に示した絶縁放熱基板Ｐｆの製造例。
まず、厚さ１８μｍの銅箔（３ＥＣ−III：三井金属社製）の一方の面に、半導体チップの搭載エリアに対応する部分に１０ｍｍ□の開口部が形成された厚さ０．１５ｍｍ、熱伝導率３Ｗ／ｍＫの絶縁樹脂フィルム(新神戸電機社製：ＨＴＳ−３Ｗ)を配置し、次いで、当該開口部内に堆積比率が約６０％となるように高熱伝導絶縁粒子（上記実施例１と同様のもの）を配置した。
【００８１】
次に、高熱伝導絶縁粒子が配置された絶縁樹脂フィルムの表面に、厚さ１８μｍの銅箔（上記と同様の銅箔）を配置した後、温度２００℃、圧力５ＭＰａの条件で積層プレス加工を行い、次いで、薄板に適した４軸平面研磨機にて研磨（当該研磨では、セラミックバフ♯８００を使用）を行い、高熱伝導絶縁粒子の露出面と絶縁樹脂基板の表面とを平坦な面一にした。
【００８２】
次に、過マンガン酸ナトリウム溶液でデスミア処理を行うことによって、高熱伝導絶縁粒子の露出面に付着した樹脂（研磨処理で発生した樹脂）を除去するとともに絶縁樹脂基板の表面を粗化した。
【００８３】
次に、上記デスミア処理後の基板を、濃度１ｍｏｌ／ｌ（常温）の水酸化ナトリウム溶液に３０分浸漬処理して、高熱伝導絶縁粒子の露出面に鉤状の凹部を形成した。
【００８４】
次に、下記の無電解銅めっき工程（１）〜（１１）を行なって１μｍの無電解銅めっきを析出させた後、硫酸銅めっき浴による電解銅めっき処理で３００μｍの電解銅めっきを析出させ、次いで、塩化第二銅溶液によるエッチング処理で回路層及び熱拡散層を形成することによって、図１２の構成の絶縁放熱基板を得た。
≪無電解銅めっき工程≫
（１）界面活性処理
コンディショナー（ＯＰＣ−３７０コンディクリーン：奥野製薬社製）、濃度１００ml／ｌ、処理温度６５℃、処理時間５分
（２）水洗
（３）ソフトエッチング：過水硫酸系
（４）水洗
（５）酸洗浄
濃度１００ml／ｌ（９８％濃硫酸）、処理温度２５℃、処理時間２分
（６）触媒付与（以下の工程を順次行う）
１）プリディップ｛ＯＰＣ−ＳＡＬＭ（奥野製薬社製）、濃度２６０ｇ／ｌ、処理温度２５℃、処理時間２分｝
２）触媒付与｛ＯＰＣ−ＳＡＬＭ（奥野製薬社製）、濃度２６０ｇ／ｌ、処理温度２５℃、処理時間５分｝⇒｛ＯＰＣ−８０キャタリスト（奥野製薬社製）、濃度５０ml／ｌ｝
（７）水洗
（８）触媒活性化処理
アクセラレーター｛ＯＰＣ−５５５（奥野製薬社製）、濃度１００ml／ｌ、処理温度２５℃、処理時間７分｝
（９）水洗
（１０）無電解銅めっき処理
処理温度３０℃、処理時間２０分、
◎ 薬品名
１）ＡＴＳアドカッパーＩＷ−Ａ（濃度５０ml／ｌ）
２）ＡＴＳアドカッパーＩＷ−Ｍ（濃度８０ml／ｌ）
３）ＡＴＳアドカッパーＣ（濃度１０ml／ｌ）
４）無電解銅Ｒ−Ｎ（濃度３ml／ｌ）
（１１）水洗・乾燥
【００８５】
上記実施例２の製造工程で得られた絶縁放熱基板の断面観察を行なった結果、実施例１の構成で見られた銅箔未充填部がなく、鉤状の凹部にめっきが緻密に充填されていることが確認できた。
【符号の説明】
【００８６】
１、１ｄ：絶縁樹脂層
１ａ：液状絶縁樹脂
１ｂ：絶縁樹脂フィルム
１ｃ：補強基材入り絶縁樹脂フィルム
２、２ａ：高熱伝導絶縁粒子
３ａ、４ａ：金属箔
３ｂ、４ｂ：薄層化された金属箔
３、１１：回路層
４、１２：熱拡散層
５：鉤状の凹部
６：アンカーパターン
７：金属未充填部
８：冷却器
９：冷却水
１０：無電解めっき層
１１ａ、１２ａ：電解めっき層
１３：突出部
１４：粗化層
１５：補強基材
１６：開口部
１７：絶縁樹脂
１８：はんだ
１９：半導体チップ
２０：絶縁基板
２１：低熱膨張材
２２：放熱体
２３：取付ねじ
２４：単なる凹凸形状
２５：接触界面
２６：剥離部
Ｐ、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ、Ｐｅ、Ｐf、Ｐg、Ｐｈ：パワーモジュール用絶縁放熱基板
ＰＭ：パワーモジュール
Ａ：絶縁樹脂層の表面
Ｂ：絶縁樹脂層の裏面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子からの発熱量が非常に大きいパワーモジュール用絶縁放熱基板に関し、特に、放熱性の向上及び薄型化を図ったパワーモジュール用絶縁放熱基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高電圧・大電流での動作が可能なＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体チップを搭載してなるパワーモジュールは、当該半導体チップからの発熱量が非常に大きいため、従来より、冷却器（例えば、水冷式の冷却器）を取り付けて、素早く放熱できるような対策が採られてきた。
このようなパワーモジュールの一例（例えば、特許文献１参照）を、図１３に示した概略断面図を用いて説明する。
【０００３】
当該パワーモジュールＰＭは、セラミックスからなる絶縁基板２０の一方の面に回路層３、他方の面に熱拡散層４を備えた絶縁放熱基板Ｐｇと、当該回路層３上にはんだ１８を介して搭載された半導体チップ１９と、当該熱拡散層４の下面にはんだ１８を介して接合された放熱体２２と、当該放熱体２２の下面に取付ねじ２３によって取り付けられた冷却器８とを有する構成となっており、半導体チップ１９からの発熱を、絶縁放熱基板Ｐｇ、放熱体２２を伝って冷却器８に伝達し、最終的に当該冷却器８内の冷却水９によって外部に放散するという仕組みになっている。
【０００４】
因みに、各部材の具体例は以下の通りである。
即ち、『絶縁基板２０』はＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ等、『回路層３、熱拡散層４、放熱体２２』はＣｕ、Ａｌ等、『低熱膨張材２１』はインバー合金等である。
【０００５】
このようなパワーモジュールＰＭは、近年、特に注目を集めている電気自動車やハイブリッド自動車に使用されるようになり、更なる高出力化と小型化が求められている。
【０００６】
そこで、前記要求に応えるための最も簡単な手段としては、単純にセラミックスからなる絶縁基板２０の厚さを薄くすることが考えられる。なぜなら、絶縁基板２０を薄型化すれば、パワーモジュールＰＭ全体を小型化できるとともに、薄くした分、伝熱抵抗の低抵抗化を図れるからである｛即ち、金属からなる回路層３や熱拡散層４よりも伝熱抵抗が高い絶縁基板（セラミックス基板）２０が薄くなるため、半導体チップ１９からの発熱を素早く冷却器８側に伝えることができる｝。
【０００７】
しかし、セラミックスは薄くすると非常に割れやすくなるため、薄型化するにも限界があり（例えば、ＩＧＢＴを搭載する１ｃｍ□以上の基板としてＡｌＮ基板を採用した場合、最低でも０．６〜０．７ｍｍ程度の厚さが必要である）、その結果、絶縁基板２０として、熱伝導率の高いＡｌＮ（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ）を使用したとしても、期待される程の放熱効果は得られないというものであった。
【０００８】
従って、板厚を薄くしても割れにくい絶縁樹脂基板を絶縁基板として用い、当該絶縁樹脂基板の表裏に形成される回路層と熱拡散層との間を、「高熱伝導性」「絶縁性」「硬質性」に優れるセラミックス等からなる粒子（以後これを「高熱伝導絶縁粒子」と呼ぶことにする）で熱的に接続させるというのが、パワーモジュールの薄型化と伝熱抵抗の低抵抗化を図る手段として有効であると考えられ、既にこのような構成のものが特許文献２に開示されている（図１４参照）。
【０００９】
図１４は、パワーモジュールに用いられる絶縁放熱基板Ｐｈ（図１３に示した「絶縁放熱基板Ｐｇ」に相当）の要部拡大断面図を示したものであり、その構成は、エポキシやポリイミドなどの熱硬化性樹脂からなる絶縁樹脂基板１と、当該絶縁樹脂基板１の表裏にそれぞれ積層された回路層３、熱拡散層４（「回路層３」「熱拡散層４」は、特許文献１と同様にＣｕやＡｌ等からなる）と、当該絶縁樹脂基板１よりも厚く、且つ、当該回路層３、熱拡散層４よりも硬い高熱伝導絶縁粒子２ａ[ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＢＮ等の熱伝導率がＡｌ2Ｏ3よりも高い５０Ｗ／ｍＫ以上の粒子（好ましく１５０Ｗ／ｍＫ以上の粒子）]とを有するものである。そして、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂから突出する高熱伝導絶縁粒子２ａの突出部１３をそれぞれ回路層３、熱拡散層４に貫入させ、両者の接触熱抵抗を小さくする構造とすることによって（即ち、貫入させることにより、単に両者を接触させる構造よりも接触熱抵抗を小さくできる）、絶縁樹脂基板１の熱伝導率の低さ（例えば、Ａｌ2Ｏ3などの高熱伝導フィラー入りのエポキシ樹脂の場合でも、熱伝導率は３Ｗ／ｍＫ程度である）を補い、以て、期待される放熱効果を得ようとするもである。
【００１０】
しかし、図１４の構成においては、絶縁層全体（高熱伝導絶縁粒子２ａを含む絶縁樹脂基板１に相当）の熱伝導率は高いものの、回路層３及び熱拡散層４と、当該高熱伝導絶縁粒子２ａとの間に無視できないほどの大きな接触熱抵抗が存在するため、図１３に示した絶縁放熱基板Ｐｇと同様に、期待される程の放熱効果は得られないというのが実情であった。
【００１１】
その理由は、回路層３及び熱拡散層４と、高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続構造に原因があった。
この原因について、回路層３と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接触界面を示した図１５を用いて説明する（熱拡散層４についても同様の接続構造となるため、説明の便宜上、熱拡散層４と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続構造については説明を省略した）。
【００１２】
回路層３と高熱伝導絶縁粒子２ａとの貫入接続は、図１５（ａ）に示したように、高熱伝導絶縁粒子２ａに対して、後に回路層３となる金属箔３ａ（図に示した部分は、金属箔３ａのマット面、即ち、アンカーパターン６を示したものである）を矢印の方向にプレス加工することによって行われるのであるが、当該金属箔３ａ（回路層３）と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続構造は、図１５（ｂ）に示したように、表面状態が単なる凹凸形状２４（大判の高熱伝導材を粒子状に粉砕したときの凹凸形状）のままの高熱伝導絶縁粒子２ａを、金属箔３ａ（回路層３）に貫入させるだけの構造であったため、両者間の接続強度は殆どないに等しいものであった。このような接続状態で、絶縁樹脂基板１が半導体チップからの発熱により膨張するため｛即ち、回路層３と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接触界面２５（図１５（ｂ）参照）を押し広げてしまう｝、回路層３と高熱伝導絶縁粒子２ａとの接触界面２５に図１５（ｃ）に示したような剥離部２６を発生させ、両者間の接触熱抵抗の増大を引き起こしていたのである。尚、図１５（ｃ）においては、剥離現象を分かりやすくするために、実際のものよりも誇張した状態を示した。
【００１３】
因みに、特許文献２には、回路層３及び熱拡散層４と、高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続性を向上させるために、当該高熱伝導絶縁粒子２ａの表面に、ＣｕめっきやＮｉめっきを施すという手段が示されているが、金属同士を熱圧着してもそれほど高い接続強度は得られず、そもそも絶縁樹脂よりもめっきの密着性が低いセラミックス等からなる高熱伝導絶縁粒子２ａの表面状態が、上記でも説明したように、単なる凹凸形状２４のままであるため、当該高熱伝導絶縁粒子２ａとめっきとの接触状態は極めて不安定なものとなり、結局、回路層３及び熱拡散層４と、高熱伝導絶縁粒子２ａとの接続強度を満足のいく強度とするには至らなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−１５３０７５号公報
【特許文献２】特開２００５−２３６２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、パワーモジュール用絶縁放熱基板の絶縁基板として絶縁樹脂基板を用いた場合においても、金属層（回路層や熱拡散層等として使用される金属層）と高熱伝導絶縁粒子との間の接触熱抵抗の増大を抑制できるパワーモジュール用絶縁放熱基板を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に取り付けられる冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板であって、少なくとも、絶縁樹脂基板と、当該絶縁樹脂基板の表裏に積層された金属層と、当該絶縁樹脂基板中に配置された高熱伝導絶縁粒子とを有し、且つ、当該両金属層と高熱伝導絶縁粒子とが、当該高熱伝導絶縁粒子の絶縁樹脂基板からの露出面に設けられた鉤状の凹部に、当該金属層の一部が噛み合わせ状に食い込んだ状態で接続されていることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板により上記課題を解決したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体チップからの発熱が絶縁放熱基板に流入した場合においても、高熱伝導絶縁粒子と金属層との間の接触熱抵抗を常温時とほぼ同じ状態に維持することができ、以て、半導体チップから発せられた熱を素早く冷却器側へ逃がすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための第一の実施の形態を説明するための概略断面製造工程図。
【図２】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板に用いられる高熱伝導絶縁粒子の表面状態を説明するための概略断面図。
【図３】金属箔と高熱伝導絶縁粒子との接続状態を説明するための要部拡大断面図。
【図４】図１（ｅ）と同様のパワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための概略断面製造工程図。
【図５】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板に直接冷却器を取り付けた構成例を説明するための概略断面図。
【図６】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための第二の実施の形態を説明するための概略断面製造工程図。
【図７】金属層としてめっきを析出した場合の金属層と高熱伝導絶縁粒子との接続状態を説明するための要部拡大断面図。
【図８】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための第三の実施の形態を説明するための概略断面製造工程図。
【図９】図８（ｃ）の状態を詳しく説明するための要部拡大断面図。
【図１０】図８（ｅ）と同様のパワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための概略断面製造工程図。
【図１１】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板を得るための第四の実施の形態を説明するための概略断面製造工程図。
【図１２】本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板の第五の実施の形態を説明するための概略断面図。
【図１３】従来のパワーモジュールの構成を説明するための概略断面図。
【図１４】従来のパワーモジュールに用いられる絶縁放熱基板の問題点を解決する従来のパワーモジュール用絶縁放熱基板の構成を説明するための概略断面図。
【図１５】図１４のパワーモジュール用絶縁放熱基板の問題点を説明するための要部拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の第一の実施の形態を図１（ｅ）を用いて説明する。尚、従来技術と同じ部位には同じ符号を付すようにした。
【００２０】
図１（ｅ）は、本発明パワーモジュール用絶縁放熱基板（以降これを単に「絶縁放熱基板」と表記する）Ｐの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐは、絶縁樹脂基板１と、当該絶縁樹脂基板１の表面に積層された回路層３及び同基板１の裏面に積層された熱拡散層４と、当該絶縁樹脂基板１中に配置された高熱伝導絶縁粒子２とを有し、且つ、当該回路層３及び熱拡散層４と、高熱伝導絶縁粒子２とが、当該高熱伝導絶縁粒子２の絶縁樹脂基板１表面Ａ及び裏面Ｂからの突出露出面、すなわち突出部１３の表面に設けられた鉤状の凹部５に、当該回路層３及び熱拡散層４の一部が噛み合わせ状に食い込んだ状態で接続されているものである（図３（ｂ）参照）。
【００２１】
本発明において、「鉤状の凹部」とは、図２及び図３（ａ）に示されているように、予め水酸化ナトリウムや弗酸などで処理して高熱伝導絶縁粒子２の表面に形成された凹部５で、その内部において開口部５ａの間口エリアから外れた抉れ部５ｂを有するものを云う。
【００２２】
続いて、上記絶縁放熱基板Ｐの製造方法を図１を用いて説明する。
【００２３】
まず、図１（ａ）に示したように、金属箔４ａの一方の面に、大きさをある程度揃えた高熱伝導絶縁粒子２（当該大きさとしては、後に形成される絶縁樹脂基板の厚さよりも厚みがあり、且つ、当該絶縁樹脂基板の表裏に金属層を積層した際に、当該金属層を貫通しない程度の大きさである）で、その表面に鉤状の凹部５（図２，図３（ａ）参照）が予め形成されたものを、配置位置に偏りが生じないようにマスクなどを介して配置した後、当該金属箔４ａ上に配置された高熱伝導絶縁粒子２を挟むように金属箔３ａを配置し（図１（ｂ）参照）、次いで、後に金属箔３ａと金属箔４ａとの間に形成される絶縁樹脂基板１の厚さ分のスペースが空くようにスペーサー等（図示省略）を介してプレス加工を行い、当該高熱伝導絶縁粒子２の一部（図１(ｅ)に示した「突出部１３」に相当）を金属箔３ａ、４ａに突入させるとともに（図１（ｃ）参照）、当該高熱伝導絶縁粒子２の表面に設けられた鉤状の凹部５に、当該金属箔３ａ及び金属箔４ａの一部を噛み合せ状に食い込ませる（図３（ａ），（ｂ）参照）。
【００２４】
ここで、金属箔３ａ、４ａの材料としては、熱伝導率が高く、高熱伝導絶縁粒子２よりも軟らかいものであれば特に限定されるものではないが、一般的に使用されるＣｕやＡｌ等（例えば、厚さ１５０μｍ〜３００μｍ程度のＣｕ箔やＡｌ箔等）が熱伝導性や電気特性などを考慮した場合に好ましく、また、高熱伝導絶縁粒子２の材料としては、絶縁性と比較的高い熱伝導率を兼ね備えたセラミックスが使用でき、例えば、Ａｌ2Ｏ3（熱伝導率：２０Ｗ／ｍｋ）、ＳｉＣ、ＳｉＮ（熱伝導率：７０Ｗ／ｍｋ）、ＡｌＮ（熱伝導率：１７０Ｗ／ｍｋ）等が挙げられるが、必要とする放熱性能に応じて選択することができる。
【００２５】
次に、図１（ｃ）に示した矢印のように、金属箔３ａ、４ａの間に液状絶縁樹脂１ａを流し込んだ後、当該液状絶縁樹脂１ａを硬化して絶縁樹脂基板１とする（図１（ｄ）参照）。
【００２６】
ここで、当該液状絶縁樹脂１ａ（絶縁樹脂基板１）としては、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエチレン、液晶ポリマー、アクリル、ポリカーボネート、シリコーン等が挙げられるが、特に、耐熱性、応力緩和性がより優れているという点で液晶ポリマーが好ましい。
尚、図には示していないが、上記樹脂中に、高熱伝導絶縁粒子２と同質材料で、且つ、当該高熱伝導絶縁粒子２よりも径が小さいフィラーを、絶縁樹脂基板１の応力緩和性に影響が出ない範囲で充填するのが、高熱伝導粒子２を含む絶縁樹脂基板１の全熱抵抗を下げる（即ち、熱伝導率を上げる）上で好ましい。
【００２７】
そして最後に、金属箔３ａ、４ａに対して周知のフォトエッチングプロセス（当該金属箔３ａ、４ａの表面にエッチングレジスト用のドライフィルムをラミネートした後、露光・現像でエッチングレジストパターンを形成し、次いで、エッチングレジストパターンから露出した金属箔３ａ、４ａをエッチング除去して、配線回路を形成する工程）で回路形成を施し、回路層３と熱拡散層４とを形成することによって、図１（ｅ）の絶縁放熱基板Ｐを得る。
【００２８】
本実施の形態の注目すべき点は、金属箔３ａ、４ａ（回路層３や熱拡散層４等として使用される金属箔）と熱的に接続される高熱伝導絶縁粒子２として、表面に鉤状の凹部５が形成されたものを用い、当該金属箔３ａ、４ａと、当該高熱伝導絶縁粒子２との接続構造として、当該金属箔３ａ、４ａの一部を当該鉤状の凹部５に噛み合わせ状に食い込ませた点である（図１（ｂ）〜（ｃ）工程で行われるプレス工程の要部拡大断面図を示した図３（ａ）、（ｂ）参照）。
【００２９】
これにより、半導体チップから発せられた熱が絶縁放熱基板Ｐに流入し、当該絶縁放熱基板Ｐの絶縁樹脂基板１が膨張した場合においても、高熱伝導絶縁粒子２と金属箔３ａ，４ａ（即ち、回路層３及び熱拡散層４）との接触熱抵抗を常温時と略同じ状態に維持することができるため、当該熱を素早く冷却器側へ逃がすことができる（即ち、絶縁樹脂基板１における縦方向の膨張量が高熱伝導絶縁粒子２のそれより大きくても、高熱伝導絶縁粒子２と金属箔３ａ，４ａとの接触部にアンカー効果が働き、両者の接触界面に図１５（ｃ）に示したような剥離部２６が発生しないため、両者の接触熱抵抗の増大を抑制できる）。
【００３０】
次に、図１（ｅ）に示した絶縁放熱基板Ｐと同様の構造の絶縁放熱基板Ｐａを得るための他の製造方法について図４を用いて説明する（使用される金属箔、高熱伝導絶縁粒子、絶縁樹脂の種類などは図１で説明したのと同じであるため、その説明については省略する）。
【００３１】
まず、図４（ａ）に示したように、金属箔４ａの表面に半硬化状態の絶縁樹脂フィルム１ｂを積層し、次いで、図４（ｂ）に示したように、表面に鉤状の凹部５が形成された高熱伝導絶縁粒子２を当該絶縁樹脂フィルム１ｂ上に配置する（配置方法としては、図１で説明したのと同様にマスクなどを介して行う）。
【００３２】
次に、絶縁樹脂フィルム１上に配置された高熱伝導絶縁粒子２を金属箔４ａと挟むように金属箔３ａを配置し（図４（ｃ）参照）、次いで、プレス加工を行うことによって、当該高熱伝導絶縁粒子２の一部[図４（ｅ）に示した突出部１３に相当]を金属箔３ａ、４ａに突入させるとともに、当該高熱伝導絶縁粒子２の表面に設けられた鉤状の凹部５に、当該金属箔３ａ及び金属箔４ａの一部を噛み合せ状に食い込ませ、当該絶縁樹脂フィルム１ｂを硬化させて絶縁樹脂基板１とする（図４（ｄ）参照）。
【００３３】
そして最後に、金属箔３ａ、４ａに回路形成を施し、回路層３及び熱拡散層４を形成することによって、図１（ｅ）のものと同様の構造からなる絶縁放熱基板Ｐａを得る（図４（ｅ）参照）。
【００３４】
以上のように、図４の製造方法においては、図１（ｃ）の工程のように、絶縁樹脂基板１を形成する手段として液状絶縁樹脂１ａを金属箔３ａ、４ａ間に流し込むといった手間のかかる工程が不要になるため、図１の製造工程よりも容易に絶縁放熱基板を得ることができる。
【００３５】
次に、本発明の第二の実施の形態を図６（ｅ）を用いて説明する。
【００３６】
図６（ｅ）は、本発明絶縁放熱基板Ｐｂの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐｂは、回路層１１及び熱拡散層１２を、無電解めっき１０、電解めっき１１ａ、１２ａから形成した以外は、図１（ｅ）、図４（ｅ）の構造のものと同様のものである。
【００３７】
続いて、上記絶縁放熱基板Ｐｂの製造方法を図６を用いて説明する。
【００３８】
まず、図１（ａ）〜（ｄ）又は図４（ａ）〜（ｄ）に示した製造工程により、図１（ｄ）又は図４（ｄ）と同じ構造の基板を作製し（図６（ａ）参照）、次いで、絶縁樹脂基板１の表裏に積層された金属箔３ａ、４ａをエッチングにより除去する（図６（ｂ）参照）。
【００３９】
次に、過マンガン酸ナトリウム系あるいは過マンガン酸カリウム系のデスミア処理を行うことによって、絶縁樹脂基板１の表面を粗化処理するとともに、露出している高熱伝導絶縁粒子２の表面に設けられた鉤状の凹部５内に巻き込まれた樹脂を除去する（図６（ｂ）参照）。
【００４０】
次に、図６（ｃ）に示したように、厚さ０．３〜３μｍの無電解めっき１０（例えば「無電解Ｃｕめっき」）を全面に析出させた後、厚さ１５０μｍ〜３００μｍ程度の電解めっき１１ａ、１２ａ（例えば、「電解Ｃｕめっき」）を析出させる（図６（ｄ）参照）。
【００４１】
そして最後に、無電解めっき１０、電解めっき１１ａ及び１２ａに対して回路形成を施し、回路層１１及び熱拡散層１２を形成することによって、図６（ｅ）の絶縁放熱基板Ｐｂを得る。
【００４２】
本実施の形態の注目すべき点は、回路層１１及び熱拡散層１２を無電解めっき１０及び電解めっき１１ａ、１２ａで形成した点である。
【００４３】
これにより、回路層３及び熱拡散層４を金属箔から形成する図１、図４の構成で見られた鉤状の凹部５内の金属未充填部７（図３（ｂ）参照）を無くすことができるため（図７参照）、絶縁放熱基板Ｐ、Ｐａよりも初期接触熱抵抗を小さくすることができる（即ち、熱を素早く冷却器側に逃がすことができる）。
【００４４】
また、上記第二の実施の形態では、無電解めっき１０として「無電解Ｃｕめっき」を析出する例を示したが、当該無電解Ｃｕめっきよりも結晶粒径が小さい「無電解Ｎｉめっき」を析出すれば、無電解Ｃｕめっきよりも緻密なめっき膜を析出できるため、初期接触熱抵抗をより小さくすることができる。
尚、当該無電解Ｎｉめっきの種類としては、無電解ＮｉＰめっき、無電解ＮｉＢめっき等、何れのＮｉめっきも利用可能であるが、中でも熱伝導率が最も高いＮｉＢめっきを選択するのがより初期接触熱抵抗を小さくできる点で好ましい。
【００４５】
因みに、上記第二の実施の形態における回路層１１および熱拡散層１２の形成手段として、無電解めっき１０上に電解めっき１１ａ及び１２ａを析出させた後、エッチング（フォトエッチングプロセス：サブトラクティブ法）により形成する例を示したが、パターンめっきで回路を形成するアディティブ法（無電解めっき１０を全面に形成した後、めっきレジストパターンを形成し、次いで、めっきレジストパターン非形成部に電解めっき１１ａ、１２ａを析出させた後、めっきレジストパターンの除去及び当該めっきレジストパターンの除去によって露出した無電解めっき１０をフラッシュエッチングで除去する回路形成手段）で形成することももちろん可能である。
【００４６】
次に、本発明の第三の実施の形態を図８（ｆ）を用いて説明する。
【００４７】
図８（ｆ）は、本発明絶縁放熱基板Ｐｃの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐｃは、高熱伝導絶縁粒子２の露出面が、図８（ｃ）に示したように、当該絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂから突出することなく当該表面Ａ及び裏面Ｂと面一となっている以外は、図６（ｅ）の構造のものと同様のものである。
【００４８】
続いて、上記絶縁放熱基板Ｐｃの製造方法を図８を用いて説明する。
【００４９】
まず、図８（ｂ）の構造の基板を、図６（ａ）〜図６（ｂ）と同じ工程により形成する。
【００５０】
次に、図８（ｂ）に示したように、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂから突出した高熱伝導絶縁粒子２の突出部１３を、平面研磨やブラスト処理などにより除去することによって、当該絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂと、当該高熱伝導絶縁粒子２の露出面とを平坦な面一にする（図８（ｃ）参照）。
【００５１】
次に、デスミア処理を行った後、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂと平坦な高熱伝導絶縁粒子２の露出面を粗化処理して鉤状の凹部５を形成し（図９に示した要部拡大断面図参照。因みに、符号１４は金属箔３ａ、４ａをエッチング除去した際に絶縁樹脂基板１に形成されたアンカーパターン６と同形状の「粗化層」である）、次いで、図８（ｄ）に示した無電解めっき１０の析出から図８（ｆ）の回路形成までの工程を図６（ｃ）〜図６（ｅ）と同じ工程で行うことによって、図８（ｆ）の絶縁放熱基板Ｐｃを得る。
【００５２】
本実施の形態の注目すべき点は、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂと、高熱伝導絶縁粒子２の露出面とを面一にし、当該高熱伝導絶縁粒子２を回路層１１及び熱拡散層１２内に突入させない構造とした点である。
【００５３】
これにより、金属よりも熱伝導率の低い高熱伝導絶縁粒子２が、金属からなる回路層１１及び熱拡散層１２側に突出しないため、当該高熱伝導絶縁粒子２が回路層３及び熱拡散層４側に突出する第一、第二の実施の形態のものよりも熱を素早く逃がすことができる。
【００５４】
次に、図８（ｆ）に示した絶縁放熱基板Ｐｃと同様の構造の絶縁放熱基板Ｐｄを得るための他の製造方法について図１０を用いて説明する。尚、図１０に示した製造工程図は、図８の工程と異なる工程のみを示したため、共通の工程に関しては、図８の製造工程図を用いることにした。また、最終的に得られる絶縁放熱基板Ｐｄの構成も、図８（ｆ）のものと同様の構成となるため、図８（ｆ）を共通図面として用いることにした。
【００５５】
まず、図８（ａ）の基板の金属箔３ａ、４ａにエッチング処理を施し、当該金属箔３ａ、４ａを、例えば１〜５μｍ程度まで薄層化する（図１０（ａ）の薄層化された金属箔３ｂ、４ｂ参照）。
【００５６】
次に、図１０（ａ）の状態の基板に対して、平面研磨を施すことにより、絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂと、当該高熱伝導絶縁粒子２の露出面とを平坦な面一にする（図１０（ｂ）参照）。尚、図１０（ｂ）に示した絶縁樹脂基板１の表面Ａ及び裏面Ｂの状態は、図１０（ｃ）の要部拡大断面図に示したように、金属箔３ａ、４ａのアンカーパターン６が残った状態となっている。
因みに、上記平坦な面一化方法では、金属箔３ａ、４ａを薄層化してから研磨を行う例を示したが、箔層化せずに研磨のみで平坦な面一にすることももちろん可能である。
【００５７】
次に、デスミア処理を行った後、図１０（ｄ）に示したように、高熱伝導絶縁粒子２の絶縁樹脂基板１からの露出面を粗化して鉤状の凹部５を形成し、次いで、図１０（ｅ）に示した無電解めっき１０の析出工程以降の工程を、図８（ｄ）〜図８（ｆ）｛即ち、図６（ｃ）〜図６（ｅ）｝と同じ工程で行うことによって、図８（ｆ）の絶縁放熱基板Ｐｄを得る。
【００５８】
図１０の製造工程で得られた絶縁放熱基板Ｐｄと、図８の製造工程で得られた絶縁放熱基板Ｐｃとは、放熱性能的には同じであるが、絶縁樹脂基板１に直接無電解めっき１０を析出させる絶縁放熱基板Ｐｃと比較した場合（図９、図８(ｄ)参照）、無電解めっき１０を金属箔３ａ、４ａのアンカーパターン６を介して析出させる絶縁放熱基板Ｐｄの方が、当該無電解めっき１０と絶縁樹脂基板１との密着強度を向上できるという点で優れている（図１０（ｃ）、（ｅ）参照）。
【００５９】
次に、本発明の第四の実施の形態を図１１（ｄ）を用いて説明する。
【００６０】
図１１（ｄ）は、本発明の絶縁放熱基板Ｐｅの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐｅは、絶縁樹脂基板として補強繊維１５入りの絶縁樹脂基板１ｄを用い（ここでは、半導体チップ１９の搭載エリアに対応する絶縁樹脂１７のみからなる部分も含んで絶縁樹脂基板１ｄとする）、また、高熱伝導絶縁粒子２の配置位置を、当該半導体チップ１９の搭載エリアに対応する部分にのみ配置した以外は、図１（ｅ）や図４（ｅ）に示したものと同様のものである。
【００６１】
続いて、上記絶縁放熱基板Ｐｅの製造方法を図１１を用いて説明する。
【００６２】
まず、金属箔４ａの一方の面に、後に搭載される半導体チップ１９の搭載エリアに対応した部分に開口部１６を有する補強繊維１５入りの絶縁樹脂フィルム１ｃ(例えばプリプレグ等)を配置し（図１１（ａ）参照）、次いで、当該開口部１６内に、表面に鉤状の凹部５が形成された高熱伝導絶縁粒子２を充填する（図１１（ｂ）参照）。
【００６３】
次に、当該絶縁樹脂フィルム１ｃの開口部１６内に充填された高熱伝導絶縁粒子２を金属箔４ａと挟むように金属箔３ａを配置し（図１１（ｂ）参照）、次いで、プレス加工を行うことによって、当該高熱伝導絶縁粒子２の一部を金属箔３ａ、４ａに突入させるとともに、当該高熱伝導絶縁粒子２の表面に設けられた鉤状の凹部５に、当該金属箔３ａ及び金属箔４ａの一部を噛み合せ状に食い込ませ、当該絶縁樹脂フィルム１ｃを硬化させて絶縁樹脂基板１ｄとする（図１１（ｃ）参照）。尚、図１１（ｃ）に示した符号１７はプレス加工の際に絶縁樹脂フィルム１ｃから流れ出た「絶縁樹脂」である。
【００６４】
そして最後に、金属箔３ａ、４ａに対して回路形成を施し、回路層３と熱拡散層４とを形成することによって、図１１（ｄ）の絶縁放熱基板Ｐｅを得る。
【００６５】
本実施の形態の注目すべき点は、高熱伝導絶縁粒子２を、硬化後に絶縁樹脂基板１ｄとなる絶縁樹脂フィルム１ｃに設けた開口部１６をガイドにして、半導体チップの搭載エリアに対応する部分にのみ配置するようにした点である。
【００６６】
これにより、半導体チップの搭載エリアに対応する部分のみに容易に高熱伝導絶縁粒子を配置することができ、また、高価な高熱伝導絶縁粒子の使用量を大幅に削減できるため、絶縁放熱基板を安価なものとすることができる。
【００６７】
更に、絶縁樹脂基板として補強繊維入りの絶縁樹脂基板（例えば、ガラス織布あるいはガラス不織布にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグ等の絶縁樹脂フィルムを硬化させたもの）を用いたことも注目すべき点である。
これにより、パワーモジュールが大型の場合においても反りを抑制することができる。
【００６８】
尚、図１１の構成においては、絶縁樹脂基板の表裏に形成される回路層３及び熱拡散層４の形成手段として、積層された金属箔をエッチングして回路形成する例のみを説明したが、もちろん、図６の構成と同様に、めっきで形成することも可能である。
【００６９】
次に、本発明の第五の実施の形態を図１２を用いて説明する。
【００７０】
図１２は、本発明の絶縁放熱基板Ｐfの概略断面図を示したもので、当該絶縁放熱基板Ｐｆは、絶縁樹脂基板として補強繊維１５入りの絶縁樹脂基板１ｄを用い（ここでは、半導体チップ１９の搭載エリアに対応する絶縁樹脂１７のみからなる部分も含んで絶縁樹脂基板１ｄとする）、また、高熱伝導絶縁粒子２の配置位置を 当該半導体チップ１９の搭載エリアに対応する部分にのみ配置した以外は、図８（ｆ）に示した絶縁放熱基板Ｐｃ、Ｐｄと同様のものである。
【００７１】
尚、図１２の絶縁放熱基板Ｐｆの製造方法に関しては、図１１(ｃ)の状態の基板を図８（ａ）の工程に適用すれば、図８、図１０の製造工程により容易に得られるため、その説明については省略する。
【００７２】
因みに、図１１、図１２の構成においては、絶縁樹脂フィルムとして、補強繊維入りのものを用いて説明したが、パワーモジュールが大型でなく、反りの懸念が無い場合には、補強繊維が入っていない絶縁樹脂フィルムを用いることも可能である。
【００７３】
本発明を説明するに当たって、高熱伝導絶縁粒子と金属層（回路層、熱拡散層等としての金属層）との間の接触熱抵抗の増大を抑制する手段として、高熱伝導絶縁粒子に設けた鉤状の凹部に、金属層の一部を噛み合わせ状に食い込ませる例を説明してきたが、絶縁樹脂基板に用いる絶縁樹脂として、横方向の線膨張係数よりも縦方向の線膨張係数が小さい異方性線膨張樹脂を用いれば、絶縁放熱基板の放熱信頼性をより向上させることができる。
【００７４】
また、金属箔３ａ、４ａを回路形成することによって、回路層３及び熱拡散層４を形成する図１、図４、図１１の構成において、当該熱拡散層４として、金属層内部に冷却水９を備えた冷却器８を直接積層すれば、回路層３から冷却器８への伝熱距離を短くでき、以て、半導体チップからの発熱をより一層素早く放散できる（図５参照）。
【００７５】
尚、高熱伝導絶縁粒子として球状のものを用いて説明してきたが、当該高熱伝導絶縁粒子が塊状であることをイメージし易くするために球状にしただけであって、実際の形状と異なることはいうまでもない。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例を挙げて本発明の絶縁放熱基板の構成をより詳しく説明する。
尚、実施例としては、図４（ｅ）と図１２に示した絶縁放熱基板Ｐａ、Ｐｆの製造例を用いることとし、また、当該絶縁放熱基板Ｐｆの構成における絶縁樹脂基板として、絶縁放熱基板Ｐａと同様に内部に補強繊維が含まれていない場合の構成について説明する。
【００７７】
実施例１：図４（ｅ）に示した絶縁放熱基板Ｐａの製造例。
まず、後に熱拡散層として使用される厚さ０．３ｍｍ、熱伝導率４００Ｗ／ｍＫからなる無酸素銅箔（住友金属鉱山伸銅社製）の一方の面に、厚さ０．１５ｍｍ、熱伝導率３Ｗ／ｍＫの絶縁樹脂（エポキシ）フィルム(新神戸電機社製：ＨＴＳ−３Ｗ)を配置し、次いで、当該絶縁樹脂フィルムの表面に、マスクを介して高熱伝導絶縁粒子をムラなく配置した。尚、高熱伝導絶縁粒子としては、大きさが約φ０．３５ｍｍ、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫからなるＡｌＮの破砕品（トクヤマ社製）を、濃度１ｍｏｌ／ｌ（常温）の水酸化ナトリウム溶液に３０分浸漬処理して、表面に鉤状の凹部を形成せしめたものを用いた。
【００７８】
次に、高熱伝導絶縁粒子が配置された絶縁樹脂フィルムの表面に、後に回路層となる銅箔（上記銅箔と同じもの）を配置した後、温度２００℃、圧力５ＭＰａの条件で積層プレス加工を行い、次いで、塩化第二銅溶液によるエッチング処理で回路層及び熱拡散層を形成することによって、図４（ｅ）の構成の絶縁放熱基板を得た。
【００７９】
上記実施例１の製造方法で得られた絶縁放熱基板の断面観察を行なった結果、僅かに銅箔未充填部が確認されたが、高熱伝導絶縁粒子の表面に設けられた鉤状の凹部に、回路層及び熱拡散層としての銅箔の一部が噛み合わせ状に食い込んでいることが確認できた。
【００８０】
実施例２：図１２に示した絶縁放熱基板Ｐｆの製造例。
まず、厚さ１８μｍの銅箔（３ＥＣ−III：三井金属社製）の一方の面に、半導体チップの搭載エリアに対応する部分に１０ｍｍ□の開口部が形成された厚さ０．１５ｍｍ、熱伝導率３Ｗ／ｍＫの絶縁樹脂フィルム(新神戸電機社製：ＨＴＳ−３Ｗ)を配置し、次いで、当該開口部内に堆積比率が約６０％となるように高熱伝導絶縁粒子（上記実施例１と同様のもの）を配置した。
【００８１】
次に、高熱伝導絶縁粒子が配置された絶縁樹脂フィルムの表面に、厚さ１８μｍの銅箔（上記と同様の銅箔）を配置した後、温度２００℃、圧力５ＭＰａの条件で積層プレス加工を行い、次いで、薄板に適した４軸平面研磨機にて研磨（当該研磨では、セラミックバフ♯８００を使用）を行い、高熱伝導絶縁粒子の露出面と絶縁樹脂基板の表面とを平坦な面一にした。
【００８２】
次に、過マンガン酸ナトリウム溶液でデスミア処理を行うことによって、高熱伝導絶縁粒子の露出面に付着した樹脂（研磨処理で発生した樹脂）を除去するとともに絶縁樹脂基板の表面を粗化した。
【００８３】
次に、上記デスミア処理後の基板を、濃度１ｍｏｌ／ｌ（常温）の水酸化ナトリウム溶液に３０分浸漬処理して、高熱伝導絶縁粒子の露出面に鉤状の凹部を形成した。
【００８４】
次に、下記の無電解銅めっき工程（１）〜（１１）を行なって１μｍの無電解銅めっきを析出させた後、硫酸銅めっき浴による電解銅めっき処理で３００μｍの電解銅めっきを析出させ、次いで、塩化第二銅溶液によるエッチング処理で回路層及び熱拡散層を形成することによって、図１２の構成の絶縁放熱基板を得た。
≪無電解銅めっき工程≫
（１）界面活性処理
コンディショナー（ＯＰＣ−３７０コンディクリーン：奥野製薬社製）、濃度１００ml／ｌ、処理温度６５℃、処理時間５分
（２）水洗
（３）ソフトエッチング：過水硫酸系
（４）水洗
（５）酸洗浄
濃度１００ml／ｌ（９８％濃硫酸）、処理温度２５℃、処理時間２分
（６）触媒付与（以下の工程を順次行う）
１）プリディップ｛ＯＰＣ−ＳＡＬＭ（奥野製薬社製）、濃度２６０ｇ／ｌ、処理温度２５℃、処理時間２分｝
２）触媒付与｛ＯＰＣ−ＳＡＬＭ（奥野製薬社製）、濃度２６０ｇ／ｌ、処理温度２５℃、処理時間５分｝⇒｛ＯＰＣ−８０キャタリスト（奥野製薬社製）、濃度５０ml／ｌ｝
（７）水洗
（８）触媒活性化処理
アクセラレーター｛ＯＰＣ−５５５（奥野製薬社製）、濃度１００ml／ｌ、処理温度２５℃、処理時間７分｝
（９）水洗
（１０）無電解銅めっき処理
処理温度３０℃、処理時間２０分、
◎ 薬品名
１）ＡＴＳアドカッパーＩＷ−Ａ（濃度５０ml／ｌ）
２）ＡＴＳアドカッパーＩＷ−Ｍ（濃度８０ml／ｌ）
３）ＡＴＳアドカッパーＣ（濃度１０ml／ｌ）
４）無電解銅Ｒ−Ｎ（濃度３ml／ｌ）
（１１）水洗・乾燥
【００８５】
上記実施例２の製造工程で得られた絶縁放熱基板の断面観察を行なった結果、実施例１の構成で見られた銅箔未充填部がなく、鉤状の凹部にめっきが緻密に充填されていることが確認できた。
【符号の説明】
【００８６】
１、１ｄ：絶縁樹脂層
１ａ：液状絶縁樹脂
１ｂ：絶縁樹脂フィルム
１ｃ：補強基材入り絶縁樹脂フィルム
２、２ａ：高熱伝導絶縁粒子
３ａ、４ａ：金属箔
３ｂ、４ｂ：薄層化された金属箔
３、１１：回路層
４、１２：熱拡散層
５：鉤状の凹部
６：アンカーパターン
７：金属未充填部
８：冷却器
９：冷却水
１０：無電解めっき層
１１ａ、１２ａ：電解めっき層
１３：突出部
１４：粗化層
１５：補強基材
１６：開口部
１７：絶縁樹脂
１８：はんだ
１９：半導体チップ
２０：絶縁基板
２１：低熱膨張材
２２：放熱体
２３：取付ねじ
２４：単なる凹凸形状
２５：接触界面
２６：剥離部
Ｐ、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ、Ｐｅ、Ｐf、Ｐg、Ｐｈ：パワーモジュール用絶縁放熱基板
ＰＭ：パワーモジュール
Ａ：絶縁樹脂層の表面
Ｂ：絶縁樹脂層の裏面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に設置される冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板であって、少なくとも、絶縁樹脂基板と、当該絶縁樹脂基板の表裏に積層された金属層と、当該絶縁樹脂基板中に配置された高熱伝導絶縁粒子とを有し、且つ、当該両金属層と高熱伝導絶縁粒子とが、当該高熱伝導絶縁粒子の絶縁樹脂基板からの露出面に設けられた鉤状の凹部に、当該金属層の一部が噛み合わせ状に食い込んだ状態で接続されていることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項２】
当該高熱伝導絶縁粒子の露出面が、絶縁樹脂基板からの突出露出面であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項３】
当該高熱伝導絶縁粒子の露出面が、絶縁樹脂基板から突出することなく当該絶縁樹脂基板面と面一となっていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項４】
当該金属層が、無電解めっきと電解めっきとを順次析出したものからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項５】
当該無電解めっきが、Ｎｉめっきからなることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項６】
当該無電解めっきが、絶縁樹脂基板の表面及び裏面に残された金属箔のアンカーパターンを介して析出されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項７】
当該高熱伝導絶縁粒子が、搭載される半導体チップに対応して部分的に配置されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項８】
当該半導体チップに対応する部分に配置されている高熱伝導絶縁粒子が、硬化後に絶縁樹脂基板となる絶縁樹脂フィルムに設けた開口部をガイドにして配置されたものであることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項９】
当該絶縁樹脂基板が、内部に補強繊維を含んでいることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項１０】
当該絶縁樹脂基板が、横方向の線膨張係数よりも縦方向の線膨張係数が小さい異方性線膨張樹脂からなることを特徴とする請求項１〜９に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項１１】
当該絶縁樹脂基板の表裏に積層される金属層のうち、半導体チップが搭載される面とは反対側の面に積層される金属層が、冷却器であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項１】
一方の面側に搭載される半導体チップからの発熱を、他方の面側に設置される冷却器へと伝熱させるパワーモジュール用絶縁放熱基板であって、少なくとも、絶縁樹脂基板と、当該絶縁樹脂基板の表裏に積層された金属層と、当該絶縁樹脂基板中に配置された高熱伝導絶縁粒子とを有し、且つ、当該両金属層と高熱伝導絶縁粒子とが、当該高熱伝導絶縁粒子の絶縁樹脂基板からの露出面に設けられた鉤状の凹部に、当該金属層の一部が噛み合わせ状に食い込んだ状態で接続されていることを特徴とするパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項２】
当該高熱伝導絶縁粒子の露出面が、絶縁樹脂基板からの突出露出面であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項３】
当該高熱伝導絶縁粒子の露出面が、絶縁樹脂基板から突出することなく当該絶縁樹脂基板面と面一となっていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項４】
当該金属層が、無電解めっきと電解めっきとを順次析出したものからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項５】
当該無電解めっきが、Ｎｉめっきからなることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項６】
当該無電解めっきが、絶縁樹脂基板の表面及び裏面に残された金属箔のアンカーパターンを介して析出されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項７】
当該高熱伝導絶縁粒子が、搭載される半導体チップに対応して部分的に配置されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項８】
当該半導体チップに対応する部分に配置されている高熱伝導絶縁粒子が、硬化後に絶縁樹脂基板となる絶縁樹脂フィルムに設けた開口部をガイドにして配置されたものであることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項９】
当該絶縁樹脂基板が、内部に補強繊維を含んでいることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項１０】
当該絶縁樹脂基板が、横方向の線膨張係数よりも縦方向の線膨張係数が小さい異方性線膨張樹脂からなることを特徴とする請求項１〜９に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【請求項１１】
当該絶縁樹脂基板の表裏に積層される金属層のうち、半導体チップが搭載される面とは反対側の面に積層される金属層が、冷却器であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のパワーモジュール用絶縁放熱基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２２７２７１（Ｐ２０１２−２２７２７１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９２２５１（Ｐ２０１１−９２２５１）
【出願日】平成２３年４月１８日（２０１１．４．１８）
【出願人】（０００２２８８３３）日本シイエムケイ株式会社 (169)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１８日（２０１１．４．１８）
【出願人】（０００２２８８３３）日本シイエムケイ株式会社 (169)
【Ｆターム（参考）】
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