説明

絶縁回路基板並びに半導体モジュール及びその製造方法

【課題】耐熱性、放熱性及び耐久性に優れた電気絶縁層を有し、しかもコスト性及びプロセス性に優れた絶縁回路基板並びに半導体モジュール及びその製造方法の提供。
【解決手段】有機材絶縁層及び有機材絶縁層上に形成された配線を有する基板、並びに、基板の表面に形成された無機材絶縁層を備え、半導体チップが搭載される絶縁回路基板であって、基板は少なくとも表面が金属であり、基板表面の少なくとも一部にナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより無機材絶縁層を形成したことを特徴とする絶縁回路基板、並びに、当該絶縁回路基板を用いた半導体モジュール及びその製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、放熱性及び電気的絶縁性に優れる絶縁回路基板並びに半導体モジュール及びその製造方法に関し、特に、パワー半導体装置等の発熱量が大きい装置にも適用できる技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、電源装置に使用される半導体モジュールは、家電製品などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで広く用いられている。特に、搭載したIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールは、発熱量が大きいことから、放熱性に優れた金属板やセラミックス板を用いた絶縁回路基板が用いられている。この絶縁回路基板は、従来では数100V程度の比較的低電圧が印加される用途に使用されていたが、省エネルギー化及び大容量化の要請により、近年では1kV以上の高電圧が印加されることもある。このため、絶縁回路基板の放熱性を高めるべく、有機材絶縁層に無機フィラーを充填すること、パワー半導体モジュールのフィン付金属ベースに直接冷却水を当てる構造(直接水冷構造)を設けることが提案されている。
【0003】
図9は、特許文献1の図3で説明される従来の金属ベース配線基板の断面構造を示す図である。金属ベース配線基板は、ベース金属101と、このベース金属101上に形成された絶縁層102と、この絶縁層102上に形成された回路パターン103との3層構造になっている。ベース金属101は、アルミニウム板または銅板などの放熱性に優れた金属が用いられている。絶縁層102は、SiO,Al,AlNなどの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂などの有機材料からなっている。回路パターン103は、銅箔などにより形成されている。
【0004】
図8は、特許文献1の図4で説明されるは従来のセラミックス配線基板の断面構造を示す図であって、(a)はセラミックス配線基板を示し、(b)はベース金属が接合されたセラミックス配線基板を示している。このセラミックス配線基板は、セラミックス絶縁板104の両側に回路パターン103がろう材を介して貼り合わせられることによって構成され、例えば厚さ2〜3mm程度の銅板のベース金属101にはんだ層105を介して接合されている。
セラミックス絶縁板104は、その原料として、Al,AlN,Siなどが用いられており、その熱伝導率は、原料がAlの場合は約20W/m・K、原料がAlNの場合は160〜180W/m・K、原料がSiの場合は80W/m・K程度であり、エポキシ樹脂に無機フィラーを配合した場合に比べて、1〜2桁高くなっているとされる。
【0005】
しかしながら、セラミックス配線基板の場合、セラミックス絶縁板を一度作製し、それに回路パターン層を接合し、エッチング加工し、このようにして作製されたセラミックス配線基板をベース金属にはんだで接合する、というように多くの工数が必要になっていることから、価格が高く、低価格化が困難であるという問題点があった。また、ヒートスプレッダ効果を高めるべく回路パターン用に厚い銅箔なし銅板を貼り付けるためには、約1000℃以上の高温で銅板をセラミックス絶縁板に接合しなくてはならなかった。
【0006】
図7は、特許文献2の図2で説明される従来のパワー半導体モジュールの直接水冷構造を示す図である。図7の構造では、フィン202をIGBTモジュール200の金属ベース201に形製(フィン付IGBTモジュール)し、アルミダイカスト製筐体205の開口部206より筐体205の外へ出し、直接冷却水を当てている。冷却用水路203は、アルミダイカスト製水路カバー204と金属ベース201で形製されている。
【0007】
ところで、近年、狭小空間においても実装ができるように、封入された冷媒の気化及び凝縮によって発熱体を冷却するヒートパイプが提案されている。特許文献3では、気化した冷媒を拡散する蒸気拡散路及び凝縮した冷媒を還流させる毛細管流路を内部に有する平板状の本体部と、本体部の少なくとも2箇所の温度差を測定する温度測定部と、温度差を所定の閾値と比較して比較結果を出力する比較部と、比較結果に基づいて本体部の動作状態をヒートパイプの冷却能力を基準として判定し、判定結果を出力する判定部を備え、蒸気拡散路が気化した冷媒を水平方向に拡散し、毛細管流路が凝縮した冷媒を垂直もしくは垂直・水平方向に還流させるヒートパイプが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2010-239164号公報
【特許文献2】特開2004-349324号公報
【特許文献3】特開2009-257722号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
従来の絶縁回路基板は、主にセラミックを用いているためコスト高という課題がある。また電気絶縁層が有機材料を主要な成分とする場合は、熱伝導性が悪いために、良好な放熱特性が得られないという課題がある。より詳細には、有機材料の放熱性は一般に0.3w/m・k程度であり、無機材料(例えば、二酸化珪素(SiO)は1.5w/m・k程度)と比べ、放熱性が劣っていた。
また、有機材料からなる絶縁層を有する配線基板は、耐熱性の問題や長時間の使用による劣化(耐久性)の問題がある。
本発明は、無機材料で且つ低コストで電気絶縁層を構成することを解決すべき課題とする。
【0010】
特許文献2に開示される直接水冷構造は、個別の素子に対応した個別の水冷構造を設け、また、水路を塞ぐためのネジ締め等の工程が必要であり、製造コストが嵩むという問題がある。
汎用部品の利用を可能とし、さらには製造プロセスを簡易化することで、製造コストを低減することも本発明が解決すべき課題である。
【0011】
以上の課題を鑑み、本発明は、耐熱性、放熱性及び耐久性に優れた電気絶縁層を有し、しかもコスト性及びプロセス性に優れた絶縁回路基板並びに半導体モジュール及びその製造方法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】
【0012】
発明者は、ナノ化された二酸化珪素(SiO)粒子とアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材(インク)を用いることにより、無機絶縁材料をインクジェット法やディスペンサー法あるいはスプレーコート法のインクとすることができ、任意のパターン形成や凹凸部への塗布を行うことを可能とした。また二酸化珪素(SiO)粒子がナノ化されたことにより、塗布対象の基板、例えば銅板などの微小な凹凸へのインクの周りこみが可能となり、密着性が大幅に向上し、無機材絶縁層と金属層の積層構造を形成することが可能となった。
【0013】
すなわち、本発明は、以下の技術手段から構成される。
第1の発明は、有機材絶縁層及び有機材絶縁層上に形成された配線を有する基板、並びに、基板の表面に形成された無機材絶縁層を備え、半導体チップが搭載される絶縁回路基板であって、基板は少なくとも表面が金属であり、基板表面の少なくとも一部にナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより無機材絶縁層を形成したことを特徴とする絶縁回路基板である。
第2の発明は、基板の表面に形成された無機材絶縁層及び無機材絶縁層上に形成された配線を備え、半導体チップが搭載される絶縁回路基板であって、基板は少なくとも表面が金属であり、基板表面の少なくとも一部にナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより無機材絶縁層を形成したことを特徴とする絶縁回路基板である。
第1および第2の発明においては、「基板表面の少なくとも一部」とあることからも分かるように、例えば、基板表面のうち、チップ搭載部には無機材絶縁層が形成されない場合がある。また、配線の一部に乗り上げて無機材絶縁層を形成してもよく、この乗り上げ部分がソルダーレジストとなる場合もある。また、熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子は、例えば、炭化珪素(SiC)、高純度炭化珪素(SiC3N)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、銀(Ag)から選択された一または複数の導電粒子から構成される。第2の発明には、無機材絶縁層と配線の間にプライマー層が存在する態様も含まれる。
【0014】
第3の発明は、第1または2の発明において、前記焼成後の無機材絶縁層に含有されるSiO粒子の割合が20〜40重量%であり、前記焼成後の無機材絶縁層に含有されるアルミナコートされた導電粒子の割合が60〜80重量%であることを特徴とする。
第4の発明は、第1ないし3のいずれかの発明において、前記SiO粒子の平均粒径が50nm以下であることを特徴とする。
第5の発明は、第1ないし4のいずれかの発明において、前記基板が、閉じた流路を有する水冷構造を備える平板状基板であることを特徴とする。
【0015】
第6の発明は、第1ないし5のいずれかの発明に係る絶縁回路基板と、当該基板上に搭載された1または複数個の半導体チップと、を備える半導体モジュールである。
第7の発明は、第6の発明において、前記絶縁回路基板と対向して配置され、半導体チップの絶縁回路基板設置面と対向する面からの発熱を放熱する放熱基板を備えることを特徴とする。
第8の発明は、第6または7の発明において、前記半導体チップが、パワー半導体素子からなることを特徴とする。
【0016】
第9の発明は、半導体チップと、有機材絶縁層、有機材絶縁層上に形成された配線及び無機材絶縁層を有する絶縁回路基板を備える半導体モジュールの製造方法であって、前記基板の表面に、有機材絶縁層を介して金属層を形成し、金属層をエッチング加工することにより配線パターンを形成し、配線パターンをマスクとして有機材絶縁層をエッチング加工し、前記基板の少なくとも配線パターンの形成されていない部分を含む表面に、ナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、無機材絶縁層を形成し、基板上に半導体チップを搭載し、配線パターンに電気的に接続することを特徴とする半導体モジュールの製造方法である。
第10の発明は、半導体チップと、無機材絶縁層及び無機材絶縁層上に形成された配線を有する絶縁回路基板を備える半導体モジュールの製造方法であって、前記基板の少なくとも表面の一部に、ナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、無機材絶縁層を形成し、導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、無機材絶縁層上に配線を形成し、基板上に半導体チップを搭載し、配線パターンに電気的に接続することを特徴とする半導体モジュールの製造方法である。ここで、第10の発明には、無機材絶縁層と配線の間にプライマー層が存在する態様も含まれる。
第11の発明は、第9または10の発明において、前記絶縁回路基板に、前記絶縁回路基板の表面が露出し半導体チップが載置される載置部を設けるように、前記配線パターン及び無機材絶縁層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、放熱に関する部分のほぼ全ての成分が無機材料からなる層を基板上に形成することができるので、耐熱性、放熱性及び耐久性に優れた電気絶縁層を有する絶縁回路基板及び半導体モジュールを提供することが可能となる。
【0018】
また、基板表面にナノ化されたSiO粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、無機材絶縁層を形成するので、基板上の所望位置に所望の形状及び厚さの無機材絶縁層を構成することが可能である。
【0019】
さらには、無機材絶縁層の形成は液材を塗布し、低温で焼成することにより行うので、製造プロセスを簡易であり、多様な市販部品を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第1の構成例を示す側面断面図である。
【図2】本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第1の構成例に使用する基板の製造工程を説明する側面断面図である。
【図3】本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第2の構成例を示す側面断面図である。
【図4】本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第3の構成例を示す側面断面図である。
【図5】本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第4の構成例を示す側面断面図である。
【図6】本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第4の構成例に使用する基板の製造工程を説明する側面断面図である。
【図7】特許文献2の図2で説明される従来の直接水冷構造を示す図である。
【図8】特許文献1の図4で説明される従来のセラミックス配線基板の断面構造を示す図であって、(a)はセラミックス配線基板を、(b)はベース金属が接合されたセラミックス配線基板を示す。
【図9】特許文献1の図3で説明される従来の金属ベース配線基板の断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、例示に基づき本発明を説明する。図1は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第1の構成例を示す側面断面図である。図1のパワー半導体モジュール1は、市販の半導体チップ3と、有機材絶縁層12、配線13及び無機材絶縁層14が形成された放熱基板2とを主要な構成要素とする。
【0022】
(a)のパワー半導体モジュール1は、放熱基板2上に半導体チップ3が半田等の熱伝導性接着材により直接固定されている。半導体チップ3は、有機材絶縁層12の上に設けられた配線13の各々との間をワイヤボンド接続により電気的に接続されている。
(b)のパワー半導体モジュール1は、放熱基板2上に形成された無機材絶縁層14の上に半導体チップ3が熱伝導性接着材により固定されている。半導体チップ3は、(a)と同様に配線13との間をワイヤボンド接続により電気的に接続されている。
なお、図1では、1個の半導体チップを配置する態様を図示しているが、複数個の半導体チップを設けることも当然可能である。
【0023】
半導体チップ3は、パワー半導体モジュールに使用可能なものであればよく、例えば、GTOサイリスタ、IGBT、ダイオド、MOS(Metal Oxide Semiconductor)等のパワー半導体素子を使用することができる。
図示の放熱基板2は、表面が平面で内部に水冷構造(例えば、複数の微小開口を持つ薄銅板を積層し、上下を銅板で密閉した液室内で毛細管現象による環流が生じるヒートパイプ(特許文献3参照))を有するものである。放熱基板2は、熱伝導性及び電気特性に優れる材料であれば水冷構造を有するものに限定されず、例えば、銅板またはアルミ板により構成してもよい。
放熱基板2の表面には、無機材絶縁層14が設けられている。無機材絶縁層14は、無機材絶縁層14は、二酸化珪素(SiO)とアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を主要な成分とし、有機リン酸を含むジエチレングリコールモノブチルエーテルの溶剤でこれらを混ぜたインクを塗布、焼成して形成される。ここで、インクの塗布は、例えば、スクリーン印刷法、スプレーコート法、インクジェット法またはディスペンサー法により行われる。無機材絶縁層14の膜厚は、直接的な耐電圧の要請は無いため、最も厚い部分の膜厚が有機材絶縁層12と配線13との合計膜厚以上となるように適宜設定する。放熱基板2の表面に接触する領域の全てが、有機材絶縁層12と配線13との合計膜厚以上である必要はなく、部分的に他の箇所よりも薄い部分があってもよい。
【0024】
本発明の無機材絶縁層14の主要な特徴は、次のとおりである。
第1の特徴は、成膜された無機材絶縁層の90重量%以上(好ましくは95重量%以上)が無機材料で構成されているということである。例えば、90重量%以上が無機材料で構成されているインクを塗布し、焼成すると、有機材料が殆ど存在しない絶縁層を形成することができる。成膜された無機材絶縁層の組成は、例えば、SiOを20〜40重量%、アルミナコート導電粒子を60〜80重量%とする。
【0025】
第2の特徴は、無機材料を構成する二酸化珪素(SiO)の粒子が、ナノ化されていることである。ナノ粒子化することにより、これまで困難であった85重量%以上が無機材料で構成される液材(インク)を塗布することが可能となる。ここで、ナノ粒子とは、直径が数nm〜数百nmの粒子をいう。SiOは、平均粒径は50nm以下のものを用いることが好ましく、これに粒径が20nm以下のものを含んでいることがより好ましく、粒径が10nm以下のものを含んでいることがさらに好ましい。
【0026】
第3の特徴は、アルミナ(Al)でコートされた熱伝導率が130W/m・K以上(好ましくは160W/m・K以上、より好ましくは190W/m・K以上)の導電粒子を用いていることである。熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子としては、炭化珪素(160w/m・k)、高純度炭化珪素(140w/m・k)、銅(400W/m・K)、アルミニウム(204W/mK)、タングステン(198W/mK)、銀(418W/mK)が例示され、これらは高熱伝導フィラーとして機能する。導電粒子の平均粒径は、例えば1〜10μmであり、アルミナコート膜厚は20〜50nmである。試作品では、中心が平均粒径は4μmのSiC粒子でアルミナコートの膜厚は30nmのものを用いた。
上記で説明した導電粒子は、単独で、或いはこれらを組み合わせたものを用いることができるが、いずれのも導電粒子も絶縁性を確保するために表面をアルミナでコートすることが必要である。
【0027】
このような絶縁材料からなるインクを金属板上に塗布し、例えば、160〜200℃で加熱することで、溶剤中に分散したナノサイズ絶縁粒子が基材表面の凹凸に倣って配列すると共に、溶剤が蒸発して緻密な無機材絶縁層(膜)が形成される。すなわち、ナノサイズ粒子の混合粉末を金属表面に直接接触させたまま大気圧下で加熱し、その場で焼結させ、ナノサイズ効果による拡散状態を利用して接合界面で金属表面接合し、無機材絶縁層と金属層の積層構造を形成する。このように、本発明では、無機材絶縁層を構成する絶縁材料をインク化することにより、基板上の所望位置に所望の形状及び厚さの無機材絶縁層を構成することを可能としている。本発明によれば、例えば、基板表面に凹所を形成した後、半導体チップ3の載置部を除く基板表面部分に、無機材絶縁層を塗布形成することも可能である。
【0028】
図2は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第1の構成例(a)に使用する基板の製造工程を説明する側面断面図である。
まず、基板上に、有機材絶縁層(例えば、ポリイミド層)12と銅箔層を形成する(STEP1)。例えば金属板上に熱可塑性ポリイミド膜と銅箔を積層して、高温加圧(例えば350℃で20分)して形成する。ポリイミドの耐電圧は200〜500V/μm程度であるので、厚さは少なくとも20μm以上、好ましくは50μm以上とする。配線13の膜厚は大電流を可能とするため50〜200μmの範囲で設定することが好ましいが、電流の少ない用途の場合はそれより薄くても構わない。
次に、貼り付けた銅箔の加工を行って、パターニング加工を行い、配線13を形成する(STEP2)。例えば、この加工のために、ホトリソグラフィ技術を用いる。銅箔の上にレジストを塗布し、パターンを露光、現像してさらにエッチングを行い、レジストを除去して、銅箔除去部を形成する。
次に、銅箔をマスクにして有機材絶縁層12のエッチングを行う(STEP3)。ポリイミドエッチング用の溶液としては例えばアミン系のものがよく使用される。
最後に、放熱基板2上の銅箔除去部を埋めるように、無機材を塗布し無機材絶縁層14を形成する(STEP4)。無機材の塗布法としては、スクリーン印刷法またはスプレーコート法が例示される。塗布された無機材を、大気圧下で160〜200℃で焼成することにより、無機絶縁層を成膜する。放熱基板2の表面に接触する領域の無機材絶縁層14の膜厚は、例えば70〜300μmの範囲で設置する。半導体チップ3が載置される載置部15には、無機絶縁層14は形成しない。
なお、図2では、電気接続用の開口をのぞき、配線に一部乗り上げて無機材を塗布する態様を示したが、配線とほぼ同一面の高さまで無機材を塗布する態様としてもよい。
【0029】
以上に説明した本発明の絶縁回路基板は、有機材絶縁層(ポリイミド層)以外は無機材料で絶縁層を構成しているので、ポリイミド層の耐熱性能(例えば350℃)を有する基板を提供することが可能である。
また、SiOとアルミナコートされた導電粒子で構成される液材(インク)の焼成は200℃以下の低温プロセスで行うことができるので、基板製造コストを削減することが可能である。そして、低温プロセスが可能であることから、水冷構造を有する市販の放熱基板(例えば、日本モレックス社のFGHP(特許文献3参照))を利用することも可能となる。
また、SiOとアルミナコートされた導電粒子で構成される無機材絶縁層は熱膨張率が小さいため、半導体チップとの接合性も良好である。
さらに、無機材絶縁層は、SiOとアルミナコートされた導電粒子Cuで構成されるので、高熱伝導性を有する。表1及び表2は、下記式1に示すBruggemanの式により算出した熱伝導率の一例である。
【0030】
[式1]

【0031】
ここで、λは求める値、λはフィラーの熱伝導率、λはベース機材(SiO)の熱伝導率、Φは充填率である。
【0032】
【表1】

【0033】
【表2】

【0034】
図3は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第2の構成例を示す側面断面図である。第2の構成例では、第1の構成例(a)に、無機材絶縁層16、無機材絶縁層17及び放熱基板20が付加されており、半導体チップ3の両面から放熱が行われる。
図3(a)に示すように、半導体チップ3周囲の空間に、無機絶縁層16を例えばディスペンサー法により充填する。また、半導体チップ3の上面に無機材絶縁層17を例えばディスペンサー法により形成する。無機材絶縁層17に代え、ワイヤと干渉しない高熱伝導性の絶縁放熱板を用いてもよい。
続いて図3(b)に示すように、無機材絶縁層24と放熱基板20とを、高熱伝導性接着材または放熱グリースにより接着する。このとき無機絶縁層24を無くして直接半導体チップ上に放熱グリースを接着しても良い。放熱基板20は、放熱基板2と同じ水冷構造を有するもの(特許文献3参照)であるが、これに限定されず、熱伝導性及び電気特性に優れる材料からなる板材(例えば、銅板またはアルミ板)により構成してもよい。
最後に図3(c)に示すように、複数の固定部材18により放熱基板2及び20を固定する。固定部材18には、ネジ留め等の簡易な固定手段を採用することが好ましい。なお、放熱基板2及び20には、予め固定部材18を挿通するための挿通孔(図示せず)が設けられている。
【0035】
このように構成された第2の構成例では、半導体チップ3からの発熱が、無機絶縁層16、無機材絶縁層17及び放熱基板20からも放熱されるため、第1の構成例と比べより高い放熱性能を得ることができる。
なお、図3では第1の構成例(a)に、無機材絶縁層16、無機材絶縁層17及び放熱基板20を付加する態様を説明したが、第1の構成例(b)にもこれらの構成を適用できることは言うまでもない。
【0036】
図4は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第3の構成例を示す側面断面図である。第2の構成例では、第2の構成例に、ケース部材19及びモールド樹脂21が付加されている。
図4(a)に示すように、半導体チップ3周囲の空間に、無機絶縁層16を例えばディスペンサー法により充填する。また、半導体チップ3の上面に無機材絶縁層17を例えばディスペンサー法により形成する。そして、環状のケース部材19を無機材絶縁層14を介して放熱基板2に設置する。なお、ケース部材19を、放熱基板2に直接固定するようにしてもよい。
続いて図4(b)に示すように、ケース部材19で囲まれた領域に、例えばエポキシ樹脂またはシリコーンゲルで充填する。無機材絶縁層17の上面(放熱基板20との当接面)は、熱伝導性を損なわないためにモールドしないようにする。
最後に図4(c)に示すように、複数の固定部材18により放熱基板2及び20を固定する。
【0037】
図5は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第4の構成例を説明する側面断面図である。図5のパワー半導体モジュール1は、市販の半導体チップ3と、配線13及び無機材絶縁層14が形成された放熱基板2とを主要な構成要素とする。半導体チップ3と、配線13及び無機材絶縁層14の構成については、これまで述べた構成例と同様であるのでここでは説明を省略する。
【0038】
図6は、本発明を具体化するパワー半導体モジュールの第4の構成例に使用する基板の製造工程を説明する側面断面図である。
まず、放熱基板2上に、上述したナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し無機材絶縁層14を形成する(STEP1)。放熱基板2は、表面が平面で内部に水冷構造(例えば、複数の微小開口を持つ薄銅板を積層し、上下を銅板で密閉した液室内で毛細管現象による環流が生じるヒートパイプ(特許文献3参照))を有するもの、銅板またはアルミ板から適宜選択される。無機材の塗布法としては、スクリーン印刷法またはスプレーコート法が例示される。塗布された無機材を、大気圧下で160〜200℃で焼成することにより、無機絶縁層を成膜する。なお、半導体チップ3が載置される載置部15には、無機絶縁層14を形成しないようにしてもよい。
【0039】
次に、無機材絶縁層14の表面の撥水性などにより配線13の形成が困難である場合は、必要に応じて、プラズマ処理等で撥水性残渣を除去し表面活性化を行うと共に、素材間の密着性を向上させるプライマー(例えばエポキシプライマー)を塗布しプライマー層22を形成する(STEP2)。プライマーの塗布法としては、スピンコーティング法またはスプレーコート法が例示される。
最後に、無機材絶縁層14の上に導電性金属インク(例えば、銀インクや銀と銅を混合したハイブリッドインク)をスクリーン印刷法、インクジェット法またはディスペンサー法により必要箇所に描画塗布した後、焼成して金属化させることにより配線13を形成する。
【0040】
以上、本開示にて幾つかの実施の形態を単に例示として詳細に説明したが、本発明の新規な教示及び有利な効果から実質的に逸脱せずに、その実施の形態には多くの改変例が可能である。
【符号の説明】
【0041】
1 パワー半導体モジュール
2 放熱基板
3 半導体チップ
4 熱伝導性接着材
12 有機材絶縁層
13 配線
14 無機材絶縁層
15 載置部
16 無機材絶縁層
17 無機材絶縁層
18 固定部材
19 ケース部材
20 放熱基板
21 モールド樹脂
22 プライマー層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
有機材絶縁層及び有機材絶縁層上に形成された配線を有する基板、並びに、基板の表面に形成された無機材絶縁層を備え、半導体チップが搭載される絶縁回路基板であって、
基板は少なくとも表面が金属であり、基板表面の少なくとも一部にナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより無機材絶縁層を形成したことを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項2】
基板の表面に形成された無機材絶縁層及び無機材絶縁層上に形成された配線を備え、半導体チップが搭載される絶縁回路基板であって、
基板は少なくとも表面が金属であり、基板表面の少なくとも一部にナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより無機材絶縁層を形成したことを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項3】
前記焼成後の無機材絶縁層に含有されるSiO粒子の割合が20〜40重量%であり、前記焼成後の無機材絶縁層に含有されるアルミナコートされた導電粒子の割合が60〜80重量%であることを特徴とする請求項1または2に記載の絶縁回路基板。
【請求項4】
前記SiO粒子の平均粒径が50nm以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の絶縁回路基板。
【請求項5】
前記基板が、閉じた流路を有する水冷構造を備える平板状基板であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の絶縁回路基板。
【請求項6】
請求項1ないし5のいずれかの絶縁回路基板と、当該基板上に搭載された1または複数個の半導体チップと、を備える半導体モジュール。
【請求項7】
前記絶縁回路基板と対向して配置され、半導体チップの絶縁回路基板設置面と対向する面からの発熱を放熱する放熱基板を備える請求項6の半導体モジュール。
【請求項8】
前記半導体チップが、パワー半導体素子からなる請求項6また7の半導体モジュール。
【請求項9】
半導体チップと、有機材絶縁層、有機材絶縁層上に形成された配線及び無機材絶縁層を有する絶縁回路基板を備える半導体モジュールの製造方法であって、
前記基板の表面に、有機材絶縁層を介して金属層を形成し、金属層をエッチング加工することにより配線パターンを形成し、配線パターンをマスクとして有機材絶縁層をエッチング加工し、
前記基板の少なくとも配線パターンの形成されていない部分を含む表面に、ナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、無機材絶縁層を形成し、
基板上に半導体チップを搭載し、配線パターンに電気的に接続することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項10】
半導体チップと、無機材絶縁層及び無機材絶縁層上に形成された配線を有する絶縁回路基板を備える半導体モジュールの製造方法であって、
前記基板の少なくとも表面の一部に、ナノ化されたSiO粒子およびアルミナコートされた熱伝導率が130W/m・K以上の導電粒子を含む液材を塗布し、焼成することにより、無機材絶縁層を形成し、
導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、無機材絶縁層上に配線を形成し、
基板上に半導体チップを搭載し、配線パターンに電気的に接続することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項11】
前記絶縁回路基板に、前記絶縁回路基板の表面が露出し半導体チップが載置される載置部を設けるように、前記配線パターン及び無機材絶縁層を形成することを特徴とする請求項9または10の半導体モジュールの製造方法。

【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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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2013−46004(P2013−46004A)
【公開日】平成25年3月4日(2013.3.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−184547(P2011−184547)
【出願日】平成23年8月26日(2011.8.26)
【出願人】(511187661)株式会社STEQ (1)
【出願人】(511042854)株式会社SSテクノ (2)
【Fターム(参考)】