JP4075225B2 - セラミックス・樹脂複合板、セラミックス・樹脂複合基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電子部品実装用の絶縁基板等に使用される熱伝導性が良くかつ絶縁性が良好な絶縁板、絶縁基板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子などの電子部品搭載用の絶縁板としては、絶縁性のセラミックスである酸化アルミニウム（以下酸化アルミと記す）や窒化アルミニウム（以下窒化アルミと記す）などセラミックスを使用したものと、エポキシやポリイミドなどの樹脂を使用したものがある。一般的には、これらセラミックスや樹脂板の片面または両面に用途に応じた金属を付帯した絶縁基板として使用されており、それぞれセラミックス基板、樹脂基板と呼ばれている。
【０００３】
図８は、セラミックス基板に半導体素子を搭載した状態の断面図である。
半導体チップ６を取り付けたリードフレーム７が、例えば酸化アルミの絶縁板８を介してアルミニウム板９に取り付けられている。アルミニウム板９の他方の側には放熱用のフィン１０が取り付けられている。
【０００４】
熱を多量に発生する大容量のトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと略す）等のパワーモジュールの絶縁放熱基板としては、一般にセラミックス基板が使われている。セラミックスとしては、絶縁性が良好であり熱伝導率が高く強度も高いことから酸化アルミが広く使用されてきた。近年、パワーモジュールの小型化、高機能化に向けて放熱性改善のために、さらに熱伝導率が高い絶縁材料として窒化アルミや窒化珪素が使用されつつある。
【０００５】
小容量のトランジスタ、ＩＧＢＴなどのモジュールの絶縁放熱基板としては、一般に樹脂基板が使われている。これは、アルミニウム、鉄や銅などの金属の上に厚さ数１０〜数１００μm程度のエポキシ樹脂等の高分子化合物からなる有機絶縁体層を設け、その上に銅箔や銅板を貼着したものである。
【０００６】
また、熱伝導率向上のためにアルミナなどのセラミックス粉末の無機充填材（無機フィラー）を分散させた樹脂板も使われている。
図９は、フィラー入り樹脂板の半透視斜視図である。樹脂２中に、直径１０〜５０μmの球状のセラミックスフィラー５が一様に分散している様子が見られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のセラミックス基板、樹脂基板、フィラー入り樹脂基板の特性を表１に示す。
【表１】

セラミックス基板は、酸化アルミで熱伝導率が約２０W/(m・K)、窒化アルミで熱伝導率が１８０W/(m・K) と高く、放熱性に優れる。しかしながら、伸縮やたわみなどの変形性に劣り、特にパワーモジュールの絶縁放熱基板として用いた場合、ネジ締め付け時のたわみ変形やヒートサイクルで割れることがあり、その信頼性に問題があった。例えば、電極として銅を接合した窒化アルミ基板では、スパン５０mmの三点曲げ試験で破壊時のたわみ量が０．６mm以下しかない。また、酸化アルミ、窒化アルミのセラミックス基板とも−４０℃×１時間〜ＲＴ×３０分間〜１２５℃×１時間のヒートサイクル５００回をおこなった後では、電極端にクラックが発生することがあった。
【０００８】
電極として銅を接合した樹脂基板は、スパン５０mmの三点曲げ試験で破壊時のたわみ量が２．０mm以上であった。また、−４０℃×１時間〜室温（以下ＲＴと記す）×３０分間〜１２５℃×１時間のヒートサイクル５００回をおこなった後でもクラックの発生はなく、たわみ変形やヒートサイクルに対して信頼性を満足する。しかしながら、樹脂のみの場合では熱伝導率が１W/(m・K)以下、酸化アルミや窒化アルミまたは窒化珪素などフィラーを高充填させたものでも熱伝導率が２〜５W/(m・K)程度しかなく、その放熱性に課題がある。
【０００９】
樹脂基板は上記のようにたわみ量が大きくヒートサイクルに強いため、セラミックス板の厚さ０．６３５mmに対し、樹脂板の厚さを０．２００mmまで薄くすることができる。しかしながら、樹脂板の熱伝導率の低さから大きな熱抵抗を受けてしまっている。
【００１０】
従来のセラミックスフィラーを充填した樹脂板では、フィラーが基板厚さに対して小さく、高充填させても、表面から裏面への断面方向のパス中に必ず樹脂が多数含まれる。そのため断面方向では熱伝導率が小さくなってしまう。
【００１１】
以上のような問題に鑑み本発明の目的は、半導体素子搭載用絶縁基板や熱関連部品に適する、セラミックス並の高熱伝導率で、樹脂板なみの高信頼性を持つ絶縁板、および金属板を接合した絶縁基板、並びにその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明は、絶縁性樹脂と絶縁性セラミックスとからなる電気絶縁性の複合板において、セラミックスが、複合板の上面と下面である複合板の対向する主面に対して垂直な方向に配向して配置されているものとする。
【００１３】
表裏面に対して垂直方向に配向して配置制御されているセラミックスは、基板の表面から裏面へ熱の伝導パスとして働き、セラミックスフィラーを充填した樹脂板と違いスムーズに熱が伝わる。平面的には樹脂が網の目状に回り込んでいるため、たわみや面方向の引張りや圧縮応力に対して強い。
【００１４】
特に、セラミックスが対向する主面間にほぼ貫通するように配置されていれば、複合板の表面から裏面への熱伝導率が大幅に向上できる。
セラミックスは、繊維状であっても、また板状であっても、球状であっても、主面間にほぼ貫通するように配置されていれば良い。
セラミックスの割合が２０〜８０vol%の範囲にあることが重要である。
【００１５】
後記の実施の形態で説明するように、２０vol%未満では熱伝導率の向上が不十分であり、８０vol%を越えると、弾性を失い、ヒートサイクルでクラックを発生し易くなる。
上記の複合板の上下に、金属板を接合すればセラミックス・樹脂複合基板とすることができる。
【００１６】
絶縁性樹脂と絶縁性セラミックスとからなる電気絶縁性の複合板の製造方法としては、複合板の上面と下面である複合板の対向する主面に対して垂直な方向に配向させた繊維状セラミックスを含有する樹脂ブロックを、繊維状セラミックスの配向方向にほぼ垂直な方向、すなわち複合板の主面にほぼ水平な方向に切断してもよいし、シートを打ち抜いた穴にセラミックスのスラリーを流し込み、乾燥、焼成して得た板状のセラミックスを用いても良い。いずれの方法でも、セラミックスが複合板の上面と下面である主面間にほぼ貫通するように配置された樹脂板が得られる。
【００１７】
特にシートを打ち抜いた穴にセラミックスのスラリーを流し込み、乾燥、焼成して板状のセラミックスを得る方法では、シートに打ち抜く穴径または、穴間隔を調節してセラミックスの割合を制御するものとする。
そのような方法でセラミックスの割合を、適当な割合に制御することができる。
【００１８】
絶縁性樹脂と球状セラミックスとからなる電気絶縁性の複合板の製造方法の場合には、板厚とほぼ等しい直径の球状セラミックスと樹脂とを混合した杯土を押出し成形し、球状のセラミックスを二次元的に配置すればよい。
【００１９】
そのような簡単な方法で球状のセラミックスを二次元的に配置した複合板を得ることができる。
セラミックス・樹脂複合基板の製造方法としては、セラミックスを挟んで配置した二枚の金属板間に樹脂を注入することを行えば極めて容易である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
図１は、本発明第一の実施例のセラミックス・樹脂複合板の半透視斜視図である。樹脂２中にセラミックス繊維１が主面に垂直方向に埋め込まれている様子が見られる。セラミックス・樹脂複合板の寸法は例えば、幅２６mm、長さ５９mm、厚さ０．４mmである。
【００２１】
セラミックス繊維１として酸化アルミ繊維を、樹脂２としてエポキシ樹脂を用いたセラミックス・樹脂複合板の作製方法を以下に説明する。
先ず、直径０．２mmのレーヨン繊維に塩化アルミニウム水溶液を含浸させる。含浸させたレーヨン繊維を電気炉内に吊るし、４５０℃の大気中で４時間仮焼し、その後、１６００℃の大気中で２時間焼成した。これにより、直径０．０５mmの酸化アルミ繊維が得られた。
【００２２】
内寸２６×５９mm、深さ１０１×の成形型に、１００mmの長さに切断した酸化アルミ繊維を方向を揃えて入れ、エポキシ樹脂を静かに流し入れた。そのまま、１×１０^-1Paの真空中で３０分間脱泡して内部の気泡を取り除いた。それを、１５０℃で１時間保持し、硬化させた。
硬化させた複合体をアルミナ繊維と垂直方向に０．４mmの厚さにスライスし、２６×５９×０．４mmの複合板を得た。
【００２３】
次にこの複合板の両面を# １５００の研磨紙で３分間研磨し、更にバフ研磨した。これにより、固い酸化アルミ繊維部分は殆ど研磨されず、専ら樹脂の部分のみ研磨されてアルミ繊維が露出する。
【００２４】
樹脂部分が研磨されて凹んだ複合板の両面にエポキシ樹脂を塗布し、裏面にアルミニウム板、表面に銅製リードフレームを真空中で貼り合せ、１５０℃の大気中で１時間で硬化させ、電極付きの複合基板を作製した。
【００２５】
作製した複合板は密度測定の結果からセラミックスの体積割合が７０vol%であった。
【００２６】
この基板の特性を表２に示す（試料番号１−１）。
【表２】

熱抵抗測定から計算された複合板の熱伝導率は１２W/(m・ k)、スパン５０mmの三点曲げ試験で破壊時のたわみ量は１．５mmあり、非常に良好な特性を示した。また、−４０℃×１時間〜ＲＴ×３０分〜１２５℃１時間のヒートサイクル５００回を行った後でもクラックはなく良好な特性を示した。
【００２７】
［実施例２］
図２は、本発明第二の実施例のセラミックス・樹脂複合板の半透視斜視図である。樹脂２中に円板状セラミックス３が主面に垂直方向に埋め込まれている様子が見られる。セラミックス・樹脂複合板の寸法は例えば、幅２５mm、長さ５８mm、厚さ０．４mmである。
【００２８】
円板状セラミックス３として酸化アルミを、樹脂２としてエポキシ樹脂を用いたセラミックス・樹脂複合板の作製方法を以下に説明する。
市販のアルミナ原料粉末にポリビニルアルコール（以下ＰＶＡと記す）バインダーを５wt% 加えたものを、内径２．５mmの金型に入れ、１t/cm² でプレス成形した。それを、４５０℃の大気中で４時間仮焼し、１６００℃の大気中で２時間焼成し、直径１．８mm厚さ０．４mmの円板状のセラミックスチップを得た。
【００２９】
図３は、本実施例２の複合基板の製造工程の説明図である。
アルミニウム板９の上に内寸２５×５８mmの成形枠１１を置き、その中に円板状セラミックス３を所定間隔で敷き詰め、真空中で樹脂を注入し、図示していない銅製のリードフレームで押さえつける。そのまま、１×１０^-1Paの真空中で３０分脱泡し内部の気泡を取り除いた後、１５０℃で１時間保持し、硬化させ、電極付きの複合基板を作製する。
【００３０】
セラミックスの割合を７０〜８８% の間で変えたものを試作し、それらの特性も表２に示した（試料番号２−１〜２−４）。
セラミックスの割合を増すに従って熱伝導率は向上している。しかし、同時に破壊時のたわみ量が急減している。セラミックスの割合が８５% 以上のものは、−４０℃×１時間〜ＲＴ×３０分〜１２５℃１時間のヒートサイクル５００回でクラックが発生した。
【００３１】
円板状のセラミックスとして窒化アルミと窒化珪素を使用したものも同様に作製した。セラミックスの割合は７５% とした。それらの特性も表２に示した（試料番号２−５、２−６）。
【００３２】
窒化アルミを用いた複合基板は、酸化アルミの複合板の８倍近い熱伝導率を示し、破壊時のたわみ量は同等であり、ヒートサイクル５００回後もクラックが発生しなかった。
【００３３】
窒化珪素を用いた複合基板は、酸化アルミの複合板の３倍近い熱伝導率を示し、破壊時のたわみ量は同等であり、ヒートサイクル５００回後もクラックが発生しなかった。
なお、セラミックスチップの形状が、円板状に限られないことはいうまでも無い。
【００３４】
［実施例３］
セラミックスとして円板状のアルミナを樹脂としてエポキシ樹脂を用いた図２のような複合基板は、以下の方法によっても作製できた。図４はその作製工程のフロー図である。
市販のアルミナ原料粉末にＰＶＡバインダーと水を加え、よく混合してスラリーを作製する。
【００３５】
また、厚さ０．６mmのポリエチレンテレフタレート（以下ＰＥＴと記す）フィルムを準備し、φ２mmの貫通穴を所定間隔にパンチングで打抜き、別の打抜いていないＰＥＴフィルムと貼り合せる。
その穴にスラリーを流し入れ乾燥させる。
【００３６】
焼成冶具を上に載せてから反転させ、セラミックスグリーンシートを焼成冶具の上に残してＰＥＴフィルムをはずす。
そのまま、４５０℃の大気中で４時間仮焼した後、１６００℃の大気中で２時間焼成する。
【００３７】
アルミニウム板で押え込んで反転させ、焼成冶具を取り除いて、銅製のリードフレームをのせることにより、アルミニウム板と銅製のリードフレームで挟み込む。
１×１０^-1Paの真空中でアルミニウム板とリードフレームと間にエポキシ樹脂を流し込み、１５０℃で１時間保持し、硬化させる。
このようにして、電極付きの複合基板を作製した。
【００３８】
この方法で、セラミックスの体積割合が２０〜８２vol%の複合板を作製した。これらの複合板、複合基板についての特性も表２に示した（試料番号３−１〜３−７）。なお、セラミックスの割合は密度測定の結果から算出した。
【００３９】
セラミックスの割合が２０% のもので、従来の８０% フィラー入りと同等の熱伝導率が得られることは驚くべきことである。これは、円板状セラミックスがほぼ、複合板の上下面に達しているのに対し、フィラーは小さく、上下方向に連続していなかったためである。
【００４０】
更にセラミックスの割合が増す程、熱伝導率が向上しているのは実施例２と同様であり、同じセラミック割合では同程度の熱伝導率を示している。
セラミックスの体積割合が８０vol%以下では、三点曲げ試験での破壊時のたわみ量が１mm以上あり、ヒートサイクル後でもクラックがなく良好な特性を示した。
【００４１】
セラミックスの体積割合がほぼ同じである実施例２のものと比較すると、ほぼ同じ特性であることから、製造方法の違いは小さいと考えられる。また、実施例１の繊維状セラミックスのものでも同じ特性を示しているので、セラミックスの形状の違いの影響も小さい。
【００４２】
本実施例３の製造方法では、ＰＥＴフィルムの打ち抜き穴径、または打抜き間隔を変えることにより、熱伝導率、破壊時のたわみ量を調整できることがわかった。
なおこの場合も、セラミックスチップの形状が、円板状に限られないことはいうまでも無い。
【００４３】
［実施例４］
図５は、本発明第四の実施例のセラミックス・樹脂複合板の半透視斜視図である。樹脂２中に球状セラミックス４が埋め込まれている様子が見られる。セラミックス・樹脂複合板の寸法は例えば、幅２５mm、長さ５８mm、厚さ０．４mmである。
球状セラミックス４として酸化アルミを、樹脂２としてエポキシ樹脂を用いたセラミックス・樹脂複合基板の作製方法を以下に説明する。
【００４４】
図６は、本実施例４の複合板の製造工程の説明図である。
アルミニウム板９の上に内寸２５×５８mmの成形枠１１を置き、その中に市販のφ０．４mmのアルミナボールを敷き詰める。真空中で樹脂を注入し、図示していない銅製のリードフレームで押さえつける。そのまま、１×１０^-1Paの真空中で３０分間脱泡して内部の気泡を取り除いた後、１５０℃で１時間保持し、硬化させ、電極付きの複合基板を作製する。
このようにして作製した複合板は、密度測定の結果からセラミックスの割合が５５vol%であった。その特性を表２に示す（試料番号４−１）。
【００４５】
熱抵抗測定から計算された熱伝導率は８W/(m・k) であり、三点曲げ試験による破壊時のたわみ量は１．６mmであり、良好な特性を示した。また、−４０℃×１時間〜ＲＴ×３０分間〜１２５℃１時間のヒートサイクル５００回をおこなった後でもクラックの発生はなかった。
【００４６】
セラミックスの体積割合がほぼ同じで、実施例３の板状セラミックスのものと比較すると、ほぼ同じ特性であることから、セラミックスの形状の違いの影響は小さいと考えられる。
【００４７】
［実施例５］
セラミックスとして球状のアルミナを樹脂としてエポキシ樹脂を用いた図３のような複合基板は、以下の方法によっても作製できた。図７は、その作製工程のフロー図である。
エポキシ樹脂と市販の直径０．４mmの酸化アルミボールをよく混合し、杯土を作製する。
【００４８】
その杯土を押出し成形機に入れ、断面が５９×０．４mmの口金から押出して、厚さ０．４mmの複合シートを得る。
その複合シートを２６mm間隔で切断し、裏側にアルミニウム板、表側に銅リードフレームを密着させた後、１５０℃で１時間硬化させる。
このようにして、電極付きの複合基板を作製した。
【００４９】
作製した複合板は密度測定の結果からセラミックスの割合が５２vol%であった。その特性を表２に示す（試料番号５−１）。電極付きの複合基板は、スパン５０mmの三点曲げ試験で破壊時のたわみ量は１．８mm であり、その熱抵抗測定から計算された熱伝導率は７W/(m・k) であり、良好な特性を示した。また、−４０℃×１時間〜ＲＴ×３０分間〜１２５℃１時間のヒートサイクル５００回をおこなった後でもクラックの発生はなかった。実施例４のものと比較すると、ほぼ同じ特性であることから、製造方法の違いは小さいと考えられる。
【００５０】
以上の実施例では樹脂としてエポキシ樹脂を用いたがエポキシ樹脂だけでなく、シリコーン樹脂等のセラミックスや金属との接合性のよい樹脂であれば、同様の効果が期待できる。
【００５１】
以上説明したように本発明によれば、セラミックスが、複合板の上面と下面である複合板の対向する主面に対して垂直な方向に配向して配置されているセラミックス・樹脂複合板とすることによって、従来のフィラー入り樹脂板に比べて熱伝導率が高く、従来のセラミックス板に比べたわみ量が大きく機械的強度も良好な絶縁板とすることができる。
【００５２】
複合板の主面に垂直な方向に配向している繊維状セラミックスや板厚がほぼ複合板の板厚に等しい板状セラミックスを有するものは、表面の熱がセラミックスを通ってスムーズに裏面に伝わることにより、高熱伝導率となる。
【００５３】
複合絶縁板の両側に金属板を接合した本発明の複合絶縁基板は、耐ヒートサイクル性も優れ、セラミックス板に比べ高い信頼性をもつので、特にパワーデバイス搭載用の絶縁基板として極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の複合板の半透視斜視図
【図２】実施例２の複合板の半透視斜視図
【図３】実施例２の複合基板の製造工程の説明図
【図４】実施例３の複合基板の製造工程のフロー図
【図５】実施例４の複合板の半透視斜視図
【図６】実施例４の複合基板の製造工程の説明図
【図７】実施例５の複合基板の製造工程のフロー図
【図８】パワーモジュールの断面図
【図９】従来のフィラー入り絶縁基板の半透視斜視図
【符号の説明】
１ セラミックス繊維
２ 樹脂
３ 円板状セラミックス
４ 球状セラミックス
５ フィラー
６ 半導体チップ
７ リードフレーム
８ 絶縁板
９ アルミニウム板
１０ フィン
１１ 成形枠

Claims (11)

1. 絶縁性樹脂と絶縁性セラミックスとからなる電気絶縁性の複合板において、セラミックスが、複合板の上面と下面である複合板の対向する主面に対して垂直な方向に配向して配置されていることを特徴とするセラミックス・樹脂複合板。
2. セラミックスが、複合板の上面と下面である複合板の対向する主面間にほぼ貫通するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス・樹脂複合板。
3. セラミックスが繊維状であり、繊維状セラミックスが複合板の主面である複合板の上面と下面に垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項２に記載のセラミックス・樹脂複合板。
4. セラミックスが板状であり、その板厚がほぼ複合板の板厚に等しく、複合板内に平面的に分散配置されていることを特徴とする請求項２に記載のセラミックス・樹脂複合板。
5. セラミックスが球状であり、その直径がほぼ複合板の板厚に等しく、複合板内に平面的に分散配置されていることを特徴とする請求項２に記載のセラミックス・樹脂複合板。
6. セラミックスの割合が２０〜８０ｖｏｌ％の範囲にあることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のセラミックス・樹脂複合板。
7. 請求項１ないし６のいずれかの複合板の主面に、金属板を接合したことを特徴とするセラミックス・樹脂複合基板。
8. 絶縁性樹脂と絶縁性セラミックスとからなる電気絶縁性の複合板の製造方法において、複合板の上面と下面である複合板の対向する主面に対して垂直な方向に配向させた繊維状セラミックスを含有する樹脂ブロックを、繊維状セラミックスの配向方向にほぼ垂直な方向に切断することを特徴とするセラミックス・樹脂複合板の製造方法。
9. 絶縁性樹脂と絶縁性セラミックスとからなる電気絶縁性の複合板の製造方法において、シートを打ち抜いた穴にセラミックスのスラリーを流し込み、乾燥、焼成して得たセラミックスを用いることを特徴とするセラミックス・樹脂複合板の製造方法。
10. シートに打ち抜く穴径または、穴間隔を調節してセラミックスの割合を制御することを特徴とする請求項９に記載のセラミックス・樹脂複合板の製造方法。
11. 絶縁性樹脂と絶縁性セラミックスとからなる電気絶縁性の複合板の製造方法において、板厚とほぼ等しい直径の球状セラミックスと樹脂とを混合した杯土を押出し成形し、球状のセラミックスを二次元的に配置することを特徴とするセラミックス・樹脂複合板の製造方法。

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