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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-04
(45)【発行日】2023-09-12
(54)【発明の名称】絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法
(51)【国際特許分類】
H05K 1/09 20060101AFI20230905BHJP
H05K 3/20 20060101ALI20230905BHJP
H01L 23/12 20060101ALI20230905BHJP
H01L 23/36 20060101ALI20230905BHJP
H05K 1/05 20060101ALI20230905BHJP
B32B 15/08 20060101ALI20230905BHJP
【ＦＩ】
H05K1/09 C
H05K3/20 Z
H01L23/12 S
H01L23/12 J
H01L23/36 C
H05K1/05 A
B32B15/08 E
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019024743
(22)【出願日】2019-02-14
(65)【公開番号】P2020136349
(43)【公開日】2020-08-31
【審査請求日】2021-09-30
(73)【特許権者】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100142424
【弁理士】
【氏名又は名称】細川 文広
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】坂庭 慶昭
(72)【発明者】
【氏名】大橋 東洋
【審査官】原田 貴志
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／１８１４１７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－１６０５４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０１－２６６７９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２２９５４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／０４６１３０（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｋ １／０９
Ｈ０５Ｋ ３／２０
Ｈ０１Ｌ ２３／１２
Ｈ０１Ｌ ２３／３６
Ｈ０５Ｋ １／０５
Ｂ３２Ｂ １５／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属基板と、この金属基板の一方の面に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層の前記金属基板とは反対側の面に形成された回路パターン状を有する回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記絶縁樹脂層は、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされており、
前記回路層は、前記絶縁樹脂層側に配置された銅層と、この銅層に積層されたアルミニウム層と、を有しており、前記アルミニウム層は、塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ未満のアルミニウムで構成されており、
前記銅層の厚さｔａが０．２５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内とされ、前記アルミニウム層の厚さｔｂが０．０２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲内とされ、前記銅層の厚さｔａと前記アルミニウム層の厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂが２．５以上１５以下の範囲内とされており、
前記銅層と前記アルミニウム層との接合界面には、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項2】
前記銅層の厚さｔａと前記アルミニウム層の厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂが１０以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。
【請求項3】
前記銅層の厚さｔａが０．３ｍｍ以上とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶縁回路基板。
【請求項4】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、積層した銅板及びアルミニウム板を積層方向に加圧するとともに加熱して、前記銅板と前記アルミニウム板とを固相拡散接合し、銅とアルミニウムの積層板を形成する積層板形成工程と、
前記積層板を加工して、前記回路層を構成する金属片を形成する金属片形成工程と、
前記金属基板の一方の面に、樹脂組成物を配置する樹脂組成物配置工程と、
前記樹脂組成物の一方の面に、前記金属片をパターン状に配置するとともに、押圧部材を配置する金属片及び押圧部材配置工程と、
前記金属基板と前記樹脂組成物と前記金属片及び押圧部材を積層方向に加圧するとともに加熱して、前記樹脂組成物を硬化させて前記絶縁樹脂層を形成するとともに、前記金属基板と前記絶縁樹脂層、前記絶縁樹脂層と前記金属片を接合する樹脂硬化工程と、
を備えていることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、金属基板と、この金属基板の一方の面に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層の前記金属基板とは反対側の面に形成された回路パターン状を有する回路層と、を備えた絶縁回路基板、及び、この絶縁回路基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
上述の絶縁回路基板として、例えば特許文献１に記載された金属ベース回路基板が提案されている。
上述の絶縁回路基板として、例えば特許文献１に記載された金属ベース回路基板が提案されている。
【0003】
特許文献１に記載された金属ベース回路基板においては、金属基板上に絶縁樹脂層が形成され、この絶縁樹脂層上に回路パターンを有する回路層が形成されている。ここで、絶縁樹脂層は、熱硬化型樹脂であるエポキシ樹脂で構成されており、回路層は、銅箔で構成されており、絶縁樹脂層上に配設された銅箔をエッチング処理することによって回路パターンを形成している。
【0004】
そして、特許文献１に記載された金属ベース回路基板においては、回路層の上にはんだ層を介して各種素子等が接合され、上述の各種モジュールが構成される。
ここで、銅箔からなる回路層及び絶縁樹脂層は、熱膨張係数が大きいため、上述の各種モジュールに冷熱サイクルが負荷された場合には、熱応力によってはんだ層にクラックが生じてしまうおそれがあった。
ここで、銅箔からなる回路層及び絶縁樹脂層は、熱膨張係数が大きいため、上述の各種モジュールに冷熱サイクルが負荷された場合には、熱応力によってはんだ層にクラックが生じてしまうおそれがあった。
【0005】
そこで、例えば特許文献２、３には、冷熱サイクル負荷時の熱応力に起因するはんだ層のクラックの発生を抑制する技術が提案されている。
特許文献２においては、フィラーを含まない低弾性樹脂層を形成することにより、はんだ層に作用する熱応力を緩和する技術が提案されている。
特許文献３においては、絶縁樹脂層全体を低弾性化することにより、はんだ層に作用する熱応力を緩和する技術が提案されている。
特許文献２においては、フィラーを含まない低弾性樹脂層を形成することにより、はんだ層に作用する熱応力を緩和する技術が提案されている。
特許文献３においては、絶縁樹脂層全体を低弾性化することにより、はんだ層に作用する熱応力を緩和する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１５－２０７６６６号公報
【文献】特開２０１２－１２９４４５号公報
【文献】特開２００７－１４９８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、最近では、各種素子からの発熱量が大きくなる傾向にあり、従来にも増して、放熱特性に優れた絶縁回路基板が要求されている。
ここで、上述の特許文献２においては、フィラーを含んでいないため、熱伝導率が低くなり、放熱特性が不十分であった。
また、特許文献３においては、フィラーを含有しているものの、やはり、熱伝導率が例えば５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下と低く、放熱特性が不十分であった。
ここで、上述の特許文献２においては、フィラーを含んでいないため、熱伝導率が低くなり、放熱特性が不十分であった。
また、特許文献３においては、フィラーを含有しているものの、やはり、熱伝導率が例えば５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下と低く、放熱特性が不十分であった。
【0008】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、回路層上にはんだ層を介して各種素子を接合した場合であっても、熱応力によるはんだ層のクラックの発生を抑制でき、かつ、放熱特性に優れた絶縁回路基板、及び、この絶縁回路基板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】
【0009】
前述の課題を解決するために、本発明の絶縁回路基板は、金属基板と、この金属基板の一方の面に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層の前記金属基板とは反対側の面に形成された回路パターン状を有する回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記絶縁樹脂層は、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされており、前記回路層は、前記絶縁樹脂層側に配置された銅層と、この銅層に積層されたアルミニウム層と、を有しており、前記アルミニウム層は、塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ未満のアルミニウムで構成されており、前記銅層の厚さｔａが０．２５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内とされ、前記アルミニウム層の厚さｔｂが０．０２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲内とされ、前記銅層の厚さｔａと前記アルミニウム層の厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂが２．５以上１５以下の範囲内とされており、前記銅層と前記アルミニウム層との接合界面には、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされていることを特徴としている。
【0010】
この構成の絶縁回路基板によれば、前記絶縁樹脂層が、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の樹脂で構成されており、絶縁樹脂層での熱伝導性に優れている。また、前記回路層は、前記絶縁樹脂層側に配置された銅層を有しており、熱伝導率の高い銅層によって熱を面方向に拡げることが可能となる。よって、放熱特性に特に優れた絶縁回路基板となる。
また、前記回路層は、銅層に積層するアルミニウム層を有しており、このアルミニウム層上にはんだ層が形成されることになる。そして、上述のアルミニウム層は、塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ未満のアルミニウムで構成されているので、冷熱サイクル負荷時にはんだ層に作用する熱応力をこのアルミニウム層で緩和することが可能となる。
よって、冷熱サイクルが負荷された場合であっても、はんだ層におけるクラックの発生を抑制することができる。
また、前記回路層は、銅層に積層するアルミニウム層を有しており、このアルミニウム層上にはんだ層が形成されることになる。そして、上述のアルミニウム層は、塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ未満のアルミニウムで構成されているので、冷熱サイクル負荷時にはんだ層に作用する熱応力をこのアルミニウム層で緩和することが可能となる。
よって、冷熱サイクルが負荷された場合であっても、はんだ層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【0011】
ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記銅層の厚さｔａと前記アルミニウム層の厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂが１０以下とされていることが好ましい。
この場合、前記銅層の厚さｔａと前記アルミニウム層の厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂが１０以下とされ、銅層に対して十分な厚さのアルミニウム層が形成されており、このアルミニウム層において、冷熱サイクル負荷時にはんだ層に作用する熱応力を確実に緩和することが可能となる。
この場合、前記銅層の厚さｔａと前記アルミニウム層の厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂが１０以下とされ、銅層に対して十分な厚さのアルミニウム層が形成されており、このアルミニウム層において、冷熱サイクル負荷時にはんだ層に作用する熱応力を確実に緩和することが可能となる。
【0012】
また、本発明の絶縁回路基板においては、前記銅層の厚さｔａが０．３ｍｍ以上とされていることが好ましい。
この場合、前記銅層の厚さｔａが０，３ｍｍ以上とされ、銅層の厚さが確保されているので、銅層において、効率的に熱を面方向に拡げることができ、放熱特性を確実に向上させることができる。
この場合、前記銅層の厚さｔａが０，３ｍｍ以上とされ、銅層の厚さが確保されているので、銅層において、効率的に熱を面方向に拡げることができ、放熱特性を確実に向上させることができる。
【0013】
本発明の絶縁回路基板の製造方法は、上述の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、積層した銅板及びアルミニウム板を積層方向に加圧するとともに加熱して、前記銅板と前記アルミニウム板とを固相拡散接合し、銅とアルミニウムの積層板を形成する積層板形成工程と、前記積層板を加工して、前記回路層を構成する金属片を形成する金属片形成工程と、前記金属基板の一方の面に、樹脂組成物を配置する樹脂組成物配置工程と、前記樹脂組成物の一方の面に、前記金属片をパターン状に配置するとともに、押圧部材を配置する金属片及び押圧部材配置工程と、前記金属基板と前記樹脂組成物と前記金属片及び押圧部材を積層方向に加圧するとともに加熱して、前記樹脂組成物を硬化させて前記絶縁樹脂層を形成するとともに、前記金属基板と前記絶縁樹脂層、前記絶縁樹脂層と前記金属片を接合する樹脂硬化工程と、を備えていることを特徴としている。
【0014】
この構成の絶縁回路基板の製造方法においては、上述のように、銅とアルミニウムの積層板を形成する積層板形成工程と、前記回路層を構成する金属片を形成する金属片形成工程と、樹脂組成物を配置する樹脂組成物配置工程と、前記樹脂組成物の一方の面に金属片及び押圧部材を配設する金属片及び押圧部材配置工程と、前記樹脂組成物を硬化させる樹脂硬化工程と、を備えているので、上述の構成の絶縁回路基板を製造することが可能となる。
また、エッチングすることなく、回路パターンが形成されることになり、回路層が銅層とアルミニウム層との積層体で構成されていても、回路パターンを精度良く形成することが可能となる。
さらに、前記金属基板と前記樹脂組成物と前記金属片及び押圧部材を積層方向に加圧しているので、樹脂組成物を十分に加圧して、前記樹脂組成物を確実に硬化させることができ、絶縁樹脂層の絶縁性を確保することができる。
また、エッチングすることなく、回路パターンが形成されることになり、回路層が銅層とアルミニウム層との積層体で構成されていても、回路パターンを精度良く形成することが可能となる。
さらに、前記金属基板と前記樹脂組成物と前記金属片及び押圧部材を積層方向に加圧しているので、樹脂組成物を十分に加圧して、前記樹脂組成物を確実に硬化させることができ、絶縁樹脂層の絶縁性を確保することができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、回路層上にはんだ層を介して各種素子を接合した場合であっても、熱応力によるはんだ層のクラックの発生を抑制でき、かつ、放熱特性に優れた絶縁回路基板、及び、この絶縁回路基板の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。
【図2】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の概略説明図である。
【図3】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法を説明するフロー図である。
【図4】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。
【図5】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板１０、及び、この絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
図１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板１０、及び、この絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
【0018】
図１に示すパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に第２はんだ層３２を介して接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
【0019】
半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。
ここで、絶縁回路基板１０と半導体素子３とは、第１はんだ層２を介して接合されている。この第１はんだ層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
ここで、絶縁回路基板１０と半導体素子３とは、第１はんだ層２を介して接合されている。この第１はんだ層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
【0020】
ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等で構成されている。本実施形態においては、無酸素銅からなる放熱板とされている。なお、ヒートシンク３１の厚さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
ここで、絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とは、第２はんだ層３２を介して接合されている。この第２はんだ層３２は、上述のはんだ層２と同様に、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）で構成することができる。
ここで、絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とは、第２はんだ層３２を介して接合されている。この第２はんだ層３２は、上述のはんだ層２と同様に、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）で構成することができる。
【0021】
そして、本実施形態である絶縁回路基板１０は、図１及び図２に示すように、金属基板１１と、金属基板１１の一方の面（図１及び図２において上面）に形成された絶縁樹脂層１２と、絶縁樹脂層１２の一方の面（図１及び図２において上面）に形成された回路層１５と、を備えている。
【0022】
金属基板１１は、絶縁回路基板１０に搭載された半導体素子３において発生した熱を面方向に拡げることによって、放熱特性を向上させる作用を有する。このため、金属基板１１は、熱伝導性に優れた金属、例えば銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。本実施形態では、無酸素銅の圧延板で構成されている。
また、金属基板１１の厚さは、０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。
また、金属基板１１の厚さは、０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。
【0023】
絶縁樹脂層１２は、回路層１５と金属基板１１との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性を有する熱硬化型樹脂で構成されている。この絶縁樹脂層１２は、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされている。
本実施形態では、絶縁樹脂層１２の強度及び熱伝導率を確保するために、フィラーを含有する熱硬化型樹脂が用いられている。
ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を用いることができる。また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂等を用いることができる。本実施形態では、絶縁樹脂層１２は、フィラーとしてアルミナを含有するエポキシ樹脂で構成されている。
また、絶縁樹脂層１２の厚さは、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされており、本実施形態では、６０μｍとされている。
本実施形態では、絶縁樹脂層１２の強度及び熱伝導率を確保するために、フィラーを含有する熱硬化型樹脂が用いられている。
ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を用いることができる。また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂等を用いることができる。本実施形態では、絶縁樹脂層１２は、フィラーとしてアルミナを含有するエポキシ樹脂で構成されている。
また、絶縁樹脂層１２の厚さは、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされており、本実施形態では、６０μｍとされている。
【0024】
回路層１５は、図１及び図２に示すように、絶縁樹脂層１２側に配置された銅層１５ａと、この銅層１５ａに積層されたアルミニウム層１５ｂと、を備えた積層構造とされている。すなわち、アルミニウム層１５ｂに、第１はんだ層２を介して半導体素子３が搭載される構成とされている。
銅層１５ａは、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、無酸素銅の圧延板とされている。
アルミニウム層１５ｂは、塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ未満のアルミニウムで構成されており、本実施形態では純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム（上述の弾性率３８ＭＰａ）で構成されている。
なお、アルミニウム層１５ａの塑性変形域における弾性率は、応力ひずみ線図における０．２％耐力から最大引っ張り強さまでの傾きである。
銅層１５ａは、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、無酸素銅の圧延板とされている。
アルミニウム層１５ｂは、塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ未満のアルミニウムで構成されており、本実施形態では純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム（上述の弾性率３８ＭＰａ）で構成されている。
なお、アルミニウム層１５ａの塑性変形域における弾性率は、応力ひずみ線図における０．２％耐力から最大引っ張り強さまでの傾きである。
【0025】
ここで、銅層１５ａの厚さｔａは、０．２５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、銅層１５ａの厚さｔａの下限は、０．３ｍｍ以上であることが好ましく、０．５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。一方、銅層１５ａの厚さｔａの上限は、２．０ｍｍ以下であることが好ましく、１．５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
なお、銅層１５ａの厚さｔａの下限は、０．３ｍｍ以上であることが好ましく、０．５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。一方、銅層１５ａの厚さｔａの上限は、２．０ｍｍ以下であることが好ましく、１．５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【0026】
また、アルミニウム層１５ｂの厚さｔｂは、０．０２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、アルミニウム層１５ｂの厚さｔｂの下限は、０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１ｍｍ以上であることがさらに好ましい。一方、アルミニウム層１５ｂの厚さｔｂの上限は、０．２ｍｍ以下であることが好ましく、０．１５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
なお、アルミニウム層１５ｂの厚さｔｂの下限は、０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１ｍｍ以上であることがさらに好ましい。一方、アルミニウム層１５ｂの厚さｔｂの上限は、０．２ｍｍ以下であることが好ましく、０．１５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【0027】
さらに、銅層１５ａの厚さｔａとアルミニウム層１５ｂの厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂは、２．５以上１５以下の範囲内であることが好ましい。
なお、上述の厚さ比ｔａ／ｔｂの下限は、３以上であることが好ましく、５以上であることがさらに好ましい。一方、上述の厚さ比ｔａ／ｔｂの上限は、１２．５以下であることが好ましく、１０以下であることがさらに好ましい。
なお、上述の厚さ比ｔａ／ｔｂの下限は、３以上であることが好ましく、５以上であることがさらに好ましい。一方、上述の厚さ比ｔａ／ｔｂの上限は、１２．５以下であることが好ましく、１０以下であることがさらに好ましい。
【0028】
なお、本実施形態においては、回路層１５を構成する銅層１５ａ及びアルミニウム層１５ｂは、固相拡散接合によって接合されており、銅層１５ａとアルミニウム層１５ｂとの接合界面には、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層（図示なし）が形成されている。なお、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物で構成されており、具体的には、η２相、ζ２相、δ相、及びγ２相等が積層した構成とされている。
【0029】
また、この回路層１５は、図５に示すように、絶縁樹脂層１２（樹脂組成物２２）の一方の面（図５において上面）に、銅層２５ａとアルミニウム層２５ｂとが積層された積層構造の金属片２５が接合されることにより形成されている。
この回路層１５においては、上述の金属片２５がパターン状に配置されることで回路パターンが形成されている。
この回路層１５においては、上述の金属片２５がパターン状に配置されることで回路パターンが形成されている。
【0030】
【0031】
（積層板形成工程Ｓ０１）
まず、図３及び図４に示すように、無酸素銅からなる銅板３５ａと４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板３５ｂとを積層して接合し、積層板３５を形成する。
本実施形態では、銅板３５ａとアルミニウム板３５ｂとを固相拡散接合することにより、積層板３５を形成している。
まず、図３及び図４に示すように、無酸素銅からなる銅板３５ａと４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板３５ｂとを積層して接合し、積層板３５を形成する。
本実施形態では、銅板３５ａとアルミニウム板３５ｂとを固相拡散接合することにより、積層板３５を形成している。
【0032】
この積層板形成工程Ｓ０１においては、銅板３５ａの上にアルミニウム板３５ｂを積層する。このとき、銅板３５ａ及びアルミニウム板３５ｂのそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされていることが好ましい。
そして、積層した銅板３５ａ及びアルミニウム板３５ｂを、積層方向に加圧（０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下）するとともに加熱して、銅板３５ａとアルミニウム板３５ｂとを固相拡散接合し、積層板３５を得る。
ここで、固相拡散接合時の接合条件は、加熱温度を４００℃以上５４８℃未満、加熱温度での保持時間を５分以上２４０分以下の範囲内とすることが好ましい。
そして、積層した銅板３５ａ及びアルミニウム板３５ｂを、積層方向に加圧（０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下）するとともに加熱して、銅板３５ａとアルミニウム板３５ｂとを固相拡散接合し、積層板３５を得る。
ここで、固相拡散接合時の接合条件は、加熱温度を４００℃以上５４８℃未満、加熱温度での保持時間を５分以上２４０分以下の範囲内とすることが好ましい。
【0033】
（金属片形成工程Ｓ０２）
次に、上述の積層板３５を打ち抜き加工することにより、回路層１５となる金属片２５を形成する。
本実施形態では、図４に示すように、打ち抜き加工機５１の凸型５２及び凹型５３によって積層板３５を挟持して剪断することにより、所定の形状の金属片２５を積層板３５から打ち抜く。これにより、銅層２５ａとアルミニウム層２５ｂとの積層構造の金属片２５が得られる。
次に、上述の積層板３５を打ち抜き加工することにより、回路層１５となる金属片２５を形成する。
本実施形態では、図４に示すように、打ち抜き加工機５１の凸型５２及び凹型５３によって積層板３５を挟持して剪断することにより、所定の形状の金属片２５を積層板３５から打ち抜く。これにより、銅層２５ａとアルミニウム層２５ｂとの積層構造の金属片２５が得られる。
【0034】
（樹脂組成物配置工程Ｓ０３）
次に、図３及び図５に示すように、金属基板１１の一方の面（図５において上面）に、フィラーと、熱硬化型樹脂と、硬化剤と、を含有する樹脂組成物２２からなるシート材を配置する。このとき、樹脂組成物２２の厚さｔ０は、４０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされている。
また、本実施形態では、フィラーとしてアルミナと窒化ホウ素を用いている。また、熱硬化型樹脂としてエポキシ樹脂を用いている。
次に、図３及び図５に示すように、金属基板１１の一方の面（図５において上面）に、フィラーと、熱硬化型樹脂と、硬化剤と、を含有する樹脂組成物２２からなるシート材を配置する。このとき、樹脂組成物２２の厚さｔ０は、４０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされている。
また、本実施形態では、フィラーとしてアルミナと窒化ホウ素を用いている。また、熱硬化型樹脂としてエポキシ樹脂を用いている。
【0035】
（金属片及び押圧部材配置工程Ｓ０４）
次に、上述の樹脂組成物２２の一方の面（図５において上面）に、複数の金属片２５を回路パターン状に配置するとともに、金属片２５以外の領域に押圧部材４０を配設する。
押圧部材４０は、金属片２５と同じ厚さとなるよう設計されており、具体的には、押圧部材４０と金属片２５との厚さの公差が０．０３ｍｍ以内とされている。
次に、上述の樹脂組成物２２の一方の面（図５において上面）に、複数の金属片２５を回路パターン状に配置するとともに、金属片２５以外の領域に押圧部材４０を配設する。
押圧部材４０は、金属片２５と同じ厚さとなるよう設計されており、具体的には、押圧部材４０と金属片２５との厚さの公差が０．０３ｍｍ以内とされている。
【0036】
（樹脂硬化工程Ｓ０５）
次に、金属基板１１と樹脂組成物２２と金属片２５及び押圧部材４０とを積層方向に加圧するとともに加熱して、樹脂組成物２２を硬化させて絶縁樹脂層１２を形成するとともに、金属基板１１と絶縁樹脂層１２、絶縁樹脂層１２と金属片２５を接合する。
この樹脂硬化工程Ｓ０５においては、加熱温度が１２０℃以上２５０℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が１０分以上１８０分以下の範囲内とされている。また、積層方向の加圧荷重が１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下の範囲内とされている。
ここで、この樹脂硬化工程Ｓ０５においては、硬化前の樹脂組成物２２の厚さｔ０と硬化後の絶縁樹脂層１２の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が０．８以下となるように、金属基板１１と樹脂組成物２２と金属片２５及び押圧部材４０とを積層方向に加圧することが好ましい。
次に、金属基板１１と樹脂組成物２２と金属片２５及び押圧部材４０とを積層方向に加圧するとともに加熱して、樹脂組成物２２を硬化させて絶縁樹脂層１２を形成するとともに、金属基板１１と絶縁樹脂層１２、絶縁樹脂層１２と金属片２５を接合する。
この樹脂硬化工程Ｓ０５においては、加熱温度が１２０℃以上２５０℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が１０分以上１８０分以下の範囲内とされている。また、積層方向の加圧荷重が１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下の範囲内とされている。
ここで、この樹脂硬化工程Ｓ０５においては、硬化前の樹脂組成物２２の厚さｔ０と硬化後の絶縁樹脂層１２の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が０．８以下となるように、金属基板１１と樹脂組成物２２と金属片２５及び押圧部材４０とを積層方向に加圧することが好ましい。
【0037】
以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
【0038】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０６）
次に、金属基板１１とヒートシンク３１とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
次に、金属基板１１とヒートシンク３１とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
【0039】
（半導体素子接合工程Ｓ０７）
次いで、回路層１５に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。
次いで、回路層１５に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。
【0040】
以上のような構成とされた本実施形態に係る絶縁回路基板１０によれば、絶縁樹脂層１２が、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の樹脂で構成されているので、絶縁樹脂層１２での熱伝導性に優れている。さらに、回路層１５が銅層１５ａを備えているので、この銅層１５ａによって、半導体素子３からの熱を面方向に効率的に拡げることができる。よって、放熱特性に優れた絶縁回路基板１０を提供することができる。
【0041】
そして、本実施形態に係る絶縁回路基板１０においては、回路層１５が絶縁樹脂層１２側に配置された銅層１５ａと、この銅層１５ａに積層されたアルミニウム層１５ｂと、を有し、アルミニウム層１５ｂに第１はんだ層２を介して半導体素子３が接合される構成とされており、このアルミニウム層１５ｂが、塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ未満のアルミニウムで構成されているので、第１はんだ層２に作用する熱応力をこのアルミニウム層１５ｂで十分に緩和することが可能となる。よって、冷熱サイクルが負荷された場合であっても、第１はんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができる。
【0042】
さらに、本実施形態において、銅層１５ａの厚さｔａとアルミニウム層１５ｂの厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂが１０以下とされている場合には、銅層１５ａに対して十分な厚さのアルミニウム層１５ｂが形成されていることになり、このアルミニウム層１５ｂにおいて、第１はんだ層２に作用する熱応力を確実に緩和することが可能となる。
【0043】
また、本実施形態において、銅層１５ａの厚さｔａが０．３ｍｍ以上とされている場合には、銅層１５ａの厚さが確保されることになり、銅層１５ａにおいて、効率的に熱を面方向に拡げることができ、放熱特性を確実に向上させることができる。
【0044】
さらに、本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、銅板３５ａとアルミニウム板３５ｂが固相拡散接合された積層板３５を形成する積層板形成工程Ｓ０１と、回路層１５を構成する金属片２５を形成する金属片形成工程Ｓ０３と、樹脂組成物２２を配置する樹脂組成物配置工程Ｓ０３と、樹脂組成物２２の一方の面に金属片２５及び押圧部材４０を配置する金属片及び押圧部材配置工程Ｓ０４と、樹脂組成物２２を硬化させて絶縁樹脂層１２を形成する樹脂硬化工程Ｓ０５と、を備えているので、上述の絶縁回路基板１０を製造することが可能となる。
【0045】
また、エッチングすることなく、回路パターンが形成されることになり、回路層１５が銅層１５ａとアルミニウム層１５ｂとの積層体で構成されていても、回路パターンを精度良く形成することが可能となる。
さらに、金属基板１１と樹脂組成物２２と金属片２５及び押圧部材４０を積層方向に加圧しているので、樹脂組成物２２を十分に加圧することで樹脂組成物２２を確実に硬化させることができ、絶縁樹脂層１２の絶縁性を確保することができる。
さらに、金属基板１１と樹脂組成物２２と金属片２５及び押圧部材４０を積層方向に加圧しているので、樹脂組成物２２を十分に加圧することで樹脂組成物２２を確実に硬化させることができ、絶縁樹脂層１２の絶縁性を確保することができる。
【0046】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本実施形態においては、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
本実施形態においては、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
【0047】
また、本実施形態においては、金属基板を銅又は銅合金で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム又はアルミニウム合金等の他の金属で構成されたものであってもよい。また、複数の金属が積層された構造のものであってもよい。
【0048】
また、本実施形態においては、絶縁樹脂層を構成する樹脂組成物として、無機フィラーとしてアルミナ及び窒化ホウ素を含有するエポキシ樹脂を用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、絶縁樹脂層の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、かつ、回路層と金属基板とを絶縁できるものであればよい。
【0049】
さらに、本実施形態では、アルミニウム層を純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムで構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ未満のアルミニウムであればよい。
また、本実施形態では、銅層を無酸素銅で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、タフピッチ銅等の他の銅又は銅合金で構成されていてもよい。
また、本実施形態では、銅層を無酸素銅で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、タフピッチ銅等の他の銅又は銅合金で構成されていてもよい。
【0050】
また、本実施形態では、樹脂組成物の一方の面に、金属片と、この金属片と高さがほぼ同一の押圧部材を配置して、樹脂組成物を積層方向に加圧するものとして説明したが、これに限定されることはなく、樹脂組成物の一方の面全体を均一に加圧できる方法であれば、その他の方法を採用してもよい。
【実施例】
【0051】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
【0052】
上述した本実施形態である絶縁回路基板の製造方法により、無酸素銅の圧延板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ）からなる金属基板の一方の面に、表１に示す絶縁樹脂層を形成されるとともに、この絶縁樹脂層上に表２に示す回路層（３７ｍｍ×３７ｍｍ，厚さは表２に記載）が形成された絶縁回路基板を製造した。なお、樹脂硬化工程は、表３に示す条件で実施した。
なお、絶縁樹脂層の熱伝導率は、大気雰囲気、室温（２５℃）でレーザフラッシュ法によって熱拡散率を測定するとともに、比熱をＤＳＣで測定し、密度をアルキメデス法により測定し、それぞれの値から算出した。
なお、第２層（アルミニウム層）の弾性率（塑性変形域における弾性率）は、応力ひずみ線図を作成し、０．２％耐力から最大引っ張り強さまでの傾きとして算出した。
なお、絶縁樹脂層の熱伝導率は、大気雰囲気、室温（２５℃）でレーザフラッシュ法によって熱拡散率を測定するとともに、比熱をＤＳＣで測定し、密度をアルキメデス法により測定し、それぞれの値から算出した。
なお、第２層（アルミニウム層）の弾性率（塑性変形域における弾性率）は、応力ひずみ線図を作成し、０．２％耐力から最大引っ張り強さまでの傾きとして算出した。
【0053】
得られた絶縁回路基板の回路層上に、はんだ材（千住金属工業株式会社製エコソルダーペレットＳＭ７２５）を用いて半導体素子（６ｍｍ×６ｍｍ）をはんだ接合した。なお、はんだ層の厚さは１．５ｍｍとした。
はんだ接合条件は、雰囲気を窒素と水素の混合雰囲気（体積比で窒素：水素＝１：３）とし、室温から昇温して２１０℃で１０分保持した後、３１０℃で５分間保持した。なお、昇温速度は１０℃／ｍｉｎとした。
はんだ接合条件は、雰囲気を窒素と水素の混合雰囲気（体積比で窒素：水素＝１：３）とし、室温から昇温して２１０℃で１０分保持した後、３１０℃で５分間保持した。なお、昇温速度は１０℃／ｍｉｎとした。
【0054】
そして、ΔＶＦ法により、絶縁回路基板の放熱特性を評価した。ΔＶｆ法は、半導体素子の順方向からの立ち上がり電圧Ｖｆの温度依存性を利用して放熱特性を評価するものであり、一定時間の電力印加前後でのＶｆの変化（ΔＶｆ）を測定する。このΔＶｆが小さいと、素子の温度上昇が小さいことになり、絶縁回路基板の放熱特性が良好であることになる。評価結果を表３に示す。
【0055】
さらに、半導体素子を接合した絶縁回路基板に対して、－４０℃×５．５分←→１５０℃×４．０分の冷熱サイクルを２０００サイクル負荷した。その後、透過Ｘ線によってはんだ層を観察し、以下の式から接合率を算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち、はんだ層の面積とした。なお、はんだ層にクラックが多く存在すると、接合率が低下することになる。評価結果を表３に示す。
接合率（％）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
接合率（％）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
【0056】
【表1】
【0057】
【表2】
【0058】
【表3】
【0059】
回路層を銅層のみで構成した比較例１においては、冷熱サイクル負荷後にはんだ層にクラックが多く観察され、接合率が大きく低下した。
回路層を銅層とアルミニウム層との積層構造とし、アルミニウム層の塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ以上とされた比較例２，３においては、冷熱サイクル負荷後にはんだ層にクラックが多く観察され、接合率が大きく低下した。アルミニウム層によって熱応力を十分に緩和できなかったためと推測される。
回路層を銅層とアルミニウム層との積層構造とし、アルミニウム層の塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ以上とされた比較例２，３においては、冷熱サイクル負荷後にはんだ層にクラックが多く観察され、接合率が大きく低下した。アルミニウム層によって熱応力を十分に緩和できなかったためと推測される。
【0060】
回路層をアルミニウム層のみで構成した比較例４においては、放熱特性が不十分であった。熱を十分に面方向に拡げることができなかったためと推測される。
絶縁樹脂層の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であった比較例５においては、放熱特性が不十分であった。絶縁樹脂層が熱抵抗となったためと推測される。
絶縁樹脂層の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であった比較例５においては、放熱特性が不十分であった。絶縁樹脂層が熱抵抗となったためと推測される。
【0061】
これに対して、回路層を銅層とアルミニウム層との積層構造とし、アルミニウム層の塑性変形域における弾性率が１００ＭＰａ未満とされ、絶縁樹脂層の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされた本発明例１～７においては、冷熱サイクル負荷後におけるはんだ層のクラックが少なく、接合率が十分維持された。また、放熱特性に十分優れていた。
また、銅層の厚さｔａとアルミニウム層の厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂが１０以下とされた本発明例１－５，７においては、冷熱サイクル負荷後におけるはんだ層のクラックの発生がさらに抑制されており、接合率がさらに高くなった。
さらに、銅層の厚さｔａが０．３ｍｍ以上とされた本発明例１～６においては、放熱特性にさらに優れていた。
また、銅層の厚さｔａとアルミニウム層の厚さｔｂとの比ｔａ／ｔｂが１０以下とされた本発明例１－５，７においては、冷熱サイクル負荷後におけるはんだ層のクラックの発生がさらに抑制されており、接合率がさらに高くなった。
さらに、銅層の厚さｔａが０．３ｍｍ以上とされた本発明例１～６においては、放熱特性にさらに優れていた。
【0062】
以上のことから、本発明例によれば、回路層上にはんだ層を介して各種素子を接合した場合であっても、熱応力によるはんだ層のクラックの発生を抑制でき、かつ、放熱特性に優れた絶縁回路基板、及び、この絶縁回路基板の製造方法を提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【0063】
１０ 絶縁回路基板
１１ 金属基板
１２ 絶縁樹脂層
１５ 回路層
１５ａ 銅層
１５ｂ アルミニウム層
２２ 樹脂組成物
２５ 金属片
３５ 積層板
４０ 押圧部材
１１ 金属基板
１２ 絶縁樹脂層
１５ 回路層
１５ａ 銅層
１５ｂ アルミニウム層
２２ 樹脂組成物
２５ 金属片
３５ 積層板
４０ 押圧部材
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】