JP2017174875A - 回路基板及び半導体モジュール、回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路層などの金属層の側面部における樹脂密着性を向上させ、長期的に信頼性の優れた半導体モジュールを提供する。【解決手段】絶縁層の一方の面に金属層が形成されるとともに、該金属層の周縁部の少なくとも一部に、金属層を厚さ方向に貫通する貫通部が形成され、該貫通部は、金属板の側面から離れた位置に形成され両端の開口が露出状態に配置されているか、又は貫通部の側部を直径より小さい幅で金属層の側面に溝状に開口するように金属層の側面部に形成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、パワーモジュール等に用いられる回路基板及び半導体モジュール、回路基板の製造方法に関する。

パワーモジュールには、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の一方の面に、回路層を形成するための金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱層を形成するための金属板が接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。そして、このパワーモジュール用基板の放熱層に、アルミニウム合金等からなるヒートシンクが接合され、回路層の上には、はんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載され、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板が製造される。
このようなパワーモジュール用基板において、回路層にはんだ付けされた半導体素子の接合信頼性確保のために、エポキシ樹脂等によって、パワーモジュール用基板及び半導体素子を樹脂封止することがある。この樹脂とパワーモジュール用基板には、実使用環境における熱サイクル等により応力が生じ、樹脂とパワーモジュール用基板の密着性が十分でないと、樹脂剥離が生じ、半導体素子下のはんだ層やセラミックス基板の信頼性への悪影響が生じる。

そこで、例えば特許文献１では、半導体素子を接合するパワーモジュール用基板の回路層表面にディンプル加工を施し、その上から樹脂をモールドすることにより、樹脂密着性の向上を図っている。

特開２００７−３２９３６２号公報

このようなパワーモジュール用基板においては、樹脂との密着性を確保することが非常に重要となるが、特許文献１の回路層表面にディンプル加工するだけでは、回路層の側面部における樹脂密着性が十分には得られない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、回路層などの金属層の特に側面部における樹脂密着性を向上させ、長期的に信頼性の優れた半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明の回路基板は、絶縁層の一方の面に金属層が形成されるとともに、該金属層の周縁部の少なくとも一部に、前記金属層を厚さ方向に貫通する貫通部が形成され、該貫通部は、前記金属層の側面から離れた位置に形成され両端の開口が露出状態に配置されているか、又は前記貫通部の側部を直径より小さい幅で前記金属層の側面に溝状に開口するように前記金属層の側面部に形成されている。

この回路基板をモールド樹脂により樹脂封止すると、貫通部の両端の開口が露出している場合には、そのモールド樹脂が貫通部の両端で接続されるように貫通部に充填され、また、貫通部の側部が直径より小さい幅で溝状に開口している場合には、その細幅の開口から貫通部の内部に充填される。したがって、いずれの場合にも、モールド樹脂が金属層の周縁部に食い込んだ状態となり、金属層に強固に保持され、樹脂密着性が向上する。

本発明の回路基板において、前記金属層の周縁部に、該周縁部を薄肉に形成してなる薄肉部が形成されており、前記貫通部は少なくとも前記薄肉部に形成されているものとしてもよい。
本発明の回路基板において、前記金属層は、前記絶縁層に接合された第一金属層と、該第一金属層に接合された第二金属層との積層構造とされ、前記第二金属層の側面部が前記第一金属層の側面よりも面方向に張り出しており、前記貫通部は、少なくとも前記第二金属層の張り出し部に形成されているものとしてもよい。
また、これらの場合、前記貫通孔は、前記回路層の表面とは反対側の開口の一部が閉塞状態とされているものとしてもよい。
貫通孔の一部を絶縁層又は第一金属層により閉塞した状態とすることにより、金属層と絶縁層との接合面積を広く確保することができ、回路基板としての熱伝達性を良好に確保することができる。

本発明の半導体モジュールは、前記回路基板に半導体素子が搭載されるとともに、該半導体素子を封止した状態で前記回路基板にモールド樹脂が設けられており、該モールド樹脂の一部が前記貫通部内に充填されている。

本発明の回路基板の製造方法は、絶縁層の表面に金属層が形成されてなる回路基板を製造する方法であって、金属板の周縁部の少なくとも一部の厚さを該金属板の中央部分より小さくして薄肉部を形成するとともに、該薄肉部に両端が開口するように貫通部を厚さ方向に形成しておき、前記貫通部の両端の開口を露出させた状態で前記金属板を前記絶縁層に接合して前記金属層を形成する。

金属層の一部に薄肉部を形成して貫通部を形成することにより、回路基板において貫通部の両端の開口を露出状態とすることができ、モールド樹脂を強固に保持することが可能になる。

本発明の回路基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に、第一金属板の少なくとも一つの側面に対して第二金属板の側面を面方向に張り出させた状態としてこれら第一金属板及び第二金属板を積層することにより、前記第二金属板と前記絶縁層との間に隙間を形成するとともに、この隙間に開口するように前記第二金属板に厚さ方向に貫通部を形成しておき、これら絶縁層、第一金属板、第二金属板を接合することにより、前記絶縁層の一方の面に、前記第一金属板及び第二金属板が積層されてなる金属層を形成する。

金属層を第一金属板と第二金属板との積層構造とすることにより、絶縁層との間の隙間を容易に形成して、貫通部の両端の開口を露出状態とすることができる。

本発明によれば、金属層の周縁部の少なくとも一部に貫通部を形成し、その貫通部の両端の開口が露出した状態とし、又は直径より小さい幅で側部が金属層の側面に溝状に開口した状態としたことにより、樹脂封止時にモールド樹脂の一部が貫通部に食い込むように充填され、回路基板とモールド樹脂との密着性を金属層の側面部において特に向上させることができ、半導体素子の良好な接合性を維持して、長期的に信頼性の高い半導体モジュールを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る回路基板の縦断面図である。 図１の回路基板の回路層側から視た平面図である。 図１の回路基板を用いた半導体モジュールの縦断面図である。 図３の半導体モジュールにおける要部の拡大断面図である。 図１の回路基板の製造方法を工程順に示す縦断面図である。 図５に示す製造方法とは別の製造方法を工程順に示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る回路基板の縦断面図である。 図７の回路基板を用いた半導体モジュールの縦断面図である。 図８の半導体モジュールにおける要部の拡大断面図である。 回路層に設けられる貫通部の変形例を示す要部の斜視図である。 貫通部のさらなる変形例を示す要部の斜視図である。

以下、本発明をパワーモジュール及びパワーモジュール用基板に適用した実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１及び図２に示す第１実施形態のパワーモジュール用基板１０は、絶縁層であるセラミックス基板２０と、その一方の面に形成された回路層３０と、他方の面に形成された放熱層５０とを備える。そして、図３に示すように、このパワーモジュール用基板１０の回路層３０の表面に半導体素子６０が搭載され、半導体素子６０にはリードフレーム６５が接合され、さらに半導体素子６０とパワーモジュール用基板１０とリードフレーム６５とをエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂７０により封止することで、パワーモジュール１００が構成される。また、パワーモジュール１００は、ヒートシンク１１０の上面に例えば熱伝達グリスを介して接触させ、クランプ（図示略）等により押し付けて使用する。

パワーモジュール用基板１０を構成するセラミックス基板２０は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができ、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。

回路層３０は、セラミックス基板２０の一方の面に接合された第一金属層３１と、その第一金属層３１のセラミックス基板２０とは反対面に接合された第二金属層３２とを備える。これら第一金属層３１及び第二金属層３２は純アルミニウム又はアルミニウム合金、もしくは銅又は銅合金からなる金属板をセラミックス基板２０に接合することにより形成される。例えば、第一金属層３１として、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定された第一金属板３１´が用いられる。第二金属層３２としては、純度９９．９０質量％未満のアルミニウムからなる厚さが０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定された第二金属板３２´が用いられ、これら金属板３１´，３２´及びセラミックス基板２０相互間をろう材を用いて接合することにより回路層３０が形成されている。あるいは、第二金属層３２に銅又は銅合金からなる第二金属板を用いる場合には、第一金属板と固相拡散接合によって接合してもよい。

そして、第二金属層３２における半導体素子６０の搭載領域Ｓを避けた部分に、第二金属層３２を厚さ方向に貫通する複数の貫通孔４０が形成されている。図３の符号６１は半導体素子６０を固着するはんだ層を示しており、半導体素子６０の搭載領域Ｓとは、このはんだ層６１の形成領域までを含むものとする。
また、第二金属層３２の周縁部には、第一金属層３１と接合される側の面に、薄肉部３３を形成するための段部３４が形成されており、このため、第一金属層３１との間に隙間ｇが形成されている。そして、第二金属層３２の貫通孔４０の一部は、この隙間ｇに開口するように形成されている。

放熱層５０は、セラミックス基板２０の回路層３０とは反対面に金属板５０´を接合することにより形成されており、その金属板５０´としては、純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられる。例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定された金属板４０´が用いられ、この金属板５０´をセラミックス基板２０にろう材を用いて接合することにより放熱層５０が形成されている。

そして、回路層３０の第二金属層３２の前述した搭載領域Ｓに半導体素子６０がはんだ付け等により接合され、その半導体素子６０にリードフレーム６５がはんだ等を用いて接合され、パワーモジュール用基板１０及び半導体素子６０、リードフレーム６５がモールド樹脂７０により樹脂封止され、パワーモジュール１００が形成される。
このモールド樹脂７０は、第二金属層３２に貫通孔４０が形成されていることにより、この貫通孔４０内にも充填されており、図４に拡大して示したように、第二金属層３２の周縁部においては、第一金属層３１との間の隙間ｇにも充填され、モールド樹脂７０が貫通孔４０の両端で接続された状態となっている。

このように構成されるパワーモジュール用基板１０は、回路層３０及び放熱層５０を構成する各金属板３１´，３２´，５０´と、セラミックス基板２０とを用意して、セラミックス基板２０と回路層３０となる金属板３１´，３２´及び放熱層５０となる金属板５０´とを接合することにより製造される。

このとき、第一金属層３１となる金属板３１´と第二金属層３２となる金属板３２´とはいずれも同じ平面積のものでよいし、異なる平面積のものでもよい。そして、図５（ａ）（ｂ）に示すように、第二金属層３２となる金属板３２´の周縁部をプレス成形によって厚さが小さくなるように押し潰して薄肉部３３を形成するとともに、複数の貫通孔４０のうちの一部が、この薄肉部３３の部分に配置されるように形成する。薄肉部３３と貫通孔４０の形成順序はいずれでもよく、図５（ａ）の鎖線で示すように薄肉部３３を形成した後、同図（ｂ）に示すように貫通孔４０を形成してもよいし、逆でもよい。
また、図示例では、薄肉部３３においては、この薄肉部３３を形成したときの段部３４にまたがるように貫通孔４０が形成されており、貫通孔４０は、第一金属板３１´と接合される面と、薄肉部３３の表面との両方にまたがって開口している。

次に、セラミックス基板２０に第一金属板３１´及び放熱層用金属板５０´を例えばＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合して、セラミックス基板２０に第一金属層３１及び放熱層５０を形成しておき、図５（ｃ）に示すように、第一金属層３１に第二金属板３２´をろう材８０を用いて接合する。この場合、第二金属板３２´がアルミニウム又はアルミニウム合金からなる場合は、ろう材８０として例えばＭｇ含有ろう材（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇろう材）を介して積層して、これらをろう付けする。Ｍｇ含有ろう材はフラックスを使用しないので、貫通孔４０を溶融ろう材が埋めてしまうことがない。または、ろう材８０として、ＪＩＳ３００３アルミニウム合金からなるアルミニウム合金層の両面に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇろう材層をクラッドしてなる両面クラッド材を用いてもよい。
第二金属板３２´が銅又は銅合金からなる場合は、ろう材８０を用いずに、固相拡散接合するとよい。

このようにして第二金属板３２´を接合することにより、セラミックス基板２０の一方の面側に、積層状態の第一金属層３１及び第二金属層３２からなる回路層３０が形成され、他方の面側に放熱層５０が形成される。また、回路層３０において、半導体素子６０の搭載領域Ｓ以外の部分に複数の貫通孔４０が形成され、そのうち、回路層３０の周縁部においては、第二金属層３２の段部３４により、第一金属層３１と第二金属層３２との間に隙間ｇが形成され、その隙間ｇに貫通孔４０の一方の開口が露出状態に配置される。

次いで、回路層３０の半導体素子搭載領域Ｓに半導体素子６０をはんだ付けし、必要なリードフレーム６５等を接続した後、放熱層５０におけるセラミックス基板２０との接合面とは反対面を除き、全体をモールド樹脂７０により封止する。回路層３０の第二金属層３２には貫通孔４０が形成されているため、モールド樹脂７０は各貫通孔４０内にも充填される。この場合、第二金属層３２の周縁部では、貫通孔４０が裏面の隙間ｇに開口しているため、モールド樹脂７０が第二金属層３２の表裏で貫通孔４０を介して連結された状態となる。このため、モールド樹脂７０が第二金属層３２に強固に食いついた状態となって密着性が高められる。
このようにして製造されたパワーモジュール１００は、露出している放熱層５０の表面がヒートシンク１１０に当接され、クランプ等によって押し付け固定された状態に接合される。

このパワーモジュール１００は、使用環境において熱サイクル等が作用するが、モールド樹脂７０が第二金属層３２表面の貫通孔４０に充填されているだけでなく、その周縁部の貫通孔４０では両端で接続状態とされている。このため、この貫通孔４０を介してモールド樹脂７０が第二金属層３２の周縁部に強固に食いついた状態となっているため剥がれにくく、長期的信頼性を向上させることができる。
なお、第二金属層３２の貫通孔４０の一方（回路層３０の表面とは反対側）の開口を、第一金属層３１により一部閉塞した状態とし、第二金属層３２の段部３４により側方に開放状態としていることにより、第一金属層３１を広く形成することが可能であり、パワーモジュール用基板１０としての熱伝達性を良好に維持することができる。

このパワーモジュール１００の製造方法において、図５（ｃ）に示すように、セラミックス基板２０に第一金属層３１及び放熱層５０を形成しておき、その第一金属層３１に第二金属板３２´を接合して、図１に示すパワーモジュール用基板１０を形成し、その後に、半導体素子６０を搭載してモールド樹脂７０で封止し、最後にヒートシンク１１０に取り付けたが、以下の方法としてもよい。

すなわち、図６（ａ）に示すように、セラミックス基板２０に第一金属層３１及び放熱層５０を形成しておく。そして、第二金属板３２´及びヒートシンク１１０がアルミニウム又はアルミニウム合金からなる場合は、図６（ｃ）に示すように、ろう材８０を介して第二金属板３２´及びヒートシンク１１０を積層し、これらを一括して接合し、第一金属層３１の上に第二金属層３２、放熱層５０にヒートシンク１１０を接合する。前述したように、ろう材８０に、ＪＩＳ３００３アルミニウム合金からなるアルミニウム合金層の両面に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇろう材層をクラッドしてなる両面クラッド材を用いてもよい。また、第二金属板３２´及びヒートシンク１１０が銅又は銅合金からなる場合は、ろう材８０を用いずに、第一金属層と第二金属板３２´、放熱層５０とヒートシンク１１０とを固相拡散接合するとよい。
そして、図６（ｃ）に鎖線で示すように、回路層３０に半導体素子６０を搭載しリードフレーム６５等を接続した後、ヒートシンク１１０の上方の部分を一体でモールド樹脂７０で封止することにより、パワーモジュール１０１を形成する。

図７から図９は、本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態において第１実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
このパワーモジュール用基板１１においては、回路層３０が第一金属層３１と第二金属層３５との積層構造とされている点は第１実施形態と同様であるが、図７に示すように、第二金属層３５の平面積が第一金属層３１の平面積よりも大きく形成されていることにより、第二金属層３５の側面部が第一金属層３１の側面より面方向に張り出しており、周縁部の貫通孔４０は、その張り出し部３６に配置されるように形成されている。この図７に示す例では、第二金属層３５の周縁部の貫通孔４０は、その一部（例えば半分）が第一金属層３１により閉塞された状態とされ、残りの部分（半分）が隙間ｇに開口している。

このパワーモジュール用基板１１を製造するには、回路層３０については、第二金属層３５となる金属板に貫通孔４０を形成して、第一金属層３１となる金属板の上に重ね合わせて、第二金属層３５となる金属板の周縁部を第一金属層３１となる金属板の側面から面方向に張り出した状態として接合すればよい。
そして、このパワーモジュール用基板１１に半導体素子６０をはんだ付けしてリードフレーム６５等を取り付けた後、モールド樹脂７０により封止すると、図８及び図９に示すように、モールド樹脂７０が第二金属層３５の貫通孔４０内に充填され、第二金属層３５の周縁部では第二金属層３５の表裏で貫通孔４０を介して接続された状態となる。したがって、モールド樹脂７０が第二金属層３５に強固に保持された状態となる。
なお、この第２実施形態においても、貫通孔４０を第二金属層３５において、第一金属板３１´に接合される面と張り出し部３６の両方にまたがるように開口しており、第一金属層３１により貫通孔４０の開口の一部が閉塞された状態となっているが、このようにすることにより、第一金属層３１を広く形成することができ、この広い第一金属層３１により回路層３０として熱伝達を良好にすることができる。もちろん、第二金属層３５の周縁部の貫通孔４０を第一金属層３１の側面から離れた位置で第二金属層３５の張り出し部３６のみに形成してもよい。

前述した両実施形態においては、第二金属層３２，３５に貫通孔４０を形成したが、この貫通孔４０に代えて、図１０又は図１１に示す溝状の貫通部としてもよい。
図１０に示す貫通部４１は、横断面ほぼ円形の孔部４１ａの一側部が第二金属層３７の側面にその厚さ方向に沿って開口したものである。その開口４１ｂの幅Ｗは、孔部４１ａの直径ｄより小さく形成されている。
一方、図１１に示す貫通部４２は、横断面ほぼ円形の孔部４２ａの一側部が第二金属層３７の側面よりも外方に配置されるように形成されていることにより、開口４２ｂが第二金属層３７の側面に厚さ方向に沿って形成されたものであり、図１０の貫通部４１と同様に、開口４２ｂの幅Ｗは孔部４２ａの直径ｄより小さく形成されている。

これら図１０及び図１１のいずれの貫通部４１，４２においても、モールド樹脂により封止されると、モールド樹脂が貫通部４１，４２内に充填され、この貫通部４１，４２が内部の孔部４１ａ，４２ａの直径ｄよりも開口４１ｂ，４２ｂの幅Ｗが小さいことから、モールド樹脂が第二金属層３７に食い込んだ状態となり、第二金属層３７に強固に保持される。
なお、これら図１０及び図１１の貫通部４１，４２の場合、第二金属層３７の表面の開口と、その側面の開口４１ｂ、４２ｂが露出していれば、他方（第一金属層側）の開口は必ずしも露出状態とされていなくてもよい。
また、この図１０及び図１１における貫通部４１，４２と、第１実施形態及び第２実施形態における貫通孔４０とを総合して、本発明では貫通部と称している。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
いずれの実施形態も回路層に貫通部を形成したものとして示したが、放熱層に貫通部を設ける場合も含むものとする。本発明においては、回路層、放熱層を含めて金属層と称す。
また、第一金属層と第二金属層との積層構造の回路層に貫通部を形成する例としたが、第１実施形態のように第二金属層の周縁部に段部により薄肉部を形成する場合、あるいは、図１０及び図１１に示す例のように溝状の貫通部を形成する場合には、第一金属層を省略することも可能である。

１０，１１ パワーモジュール用基板
３０ 回路層
２０ セラミックス基板
３１ 第一金属層
３１´ 第一金属板
３２，３５，３７ 第二金属層
３２´ 第二金属板
３３ 薄肉部
３４ 段部
３６ 張り出し部
５０ 放熱層
４０ 貫通孔
４１，４２ 貫通部
４１ａ，４２ａ 孔部
４１ｂ，４２ｂ 開口
６０ 半導体素子
６１ はんだ層
６５ リードフレーム
７０ モールド樹脂
１００ パワーモジュール
１１０ ヒートシンク
Ｓ 半導体素子搭載領域
ｇ 隙間

Claims (7)

1. 絶縁層の一方の面に金属層が形成されるとともに、該金属層の周縁部の少なくとも一部に、前記金属層を厚さ方向に貫通する貫通部が形成され、該貫通部は、前記金属層の側面から離れた位置に形成され両端の開口が露出状態に配置されているか、又は前記貫通部の側部を直径より小さい幅で前記金属層の側面に溝状に開口するように前記金属層の側面部に形成されていることを特徴とする回路基板。
2. 前記金属層の周縁部に、該周縁部を薄肉に形成してなる薄肉部が形成されており、前記貫通部は少なくとも前記薄肉部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
3. 前記金属層は、前記絶縁層に接合された第一金属層と、該第一金属層に接合された第二金属層との積層構造とされ、前記第二金属層の側面部が前記第一金属層の側面よりも面方向に張り出しており、前記貫通部は、少なくとも前記第二金属層の張り出し部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
4. 前記貫通部は、前記金属層の表面とは反対側の開口の一部が閉塞状態とされていることを特徴とする請求項２又は３記載の回路基板。
5. 請求項１から４のいずれか一項記載の前記回路基板に半導体素子が搭載されるとともに、該半導体素子を封止した状態で前記回路基板にモールド樹脂が設けられており、該モールド樹脂の一部が前記貫通部内に充填されていることを特徴とする半導体モジュール。
6. 絶縁層の表面に金属層が形成されてなる回路基板を製造する方法であって、金属板の周縁部の少なくとも一部の厚さを該金属板の中央部分より小さくして薄肉部を形成するとともに、該薄肉部に両端が開口するように貫通部を厚さ方向に形成しておき、前記貫通部の両端の開口を露出させた状態で前記金属板を前記絶縁層に接合して前記金属層を形成することを特徴とする回路基板の製造方法。
7. 絶縁層の一方の面に、第一金属板の少なくとも一つの側面に対して第二金属板の側面を面方向に張り出させた状態としてこれら第一金属板及び第二金属板を積層することにより、前記第二金属板と前記絶縁層との間に隙間を形成するとともに、この隙間に開口するように前記第二金属板に厚さ方向に貫通部を形成しておき、これら絶縁層、第一金属板、第二金属板を接合することにより、前記絶縁層の一方の面に、前記第一金属板及び第二金属板が積層されてなる金属層を形成することを特徴とする回路基板の製造方法。