散热器一体型绝缘电路基板及散热器一体型绝缘电路基板的制造方法与流程

1.本发明涉及一种散热器一体型绝缘电路基板及散热器一体型绝缘电路基板的制造方法，所述散热器一体型绝缘电路基板具备：散热器，具备散热鳍片；绝缘树脂层，形成于该散热器的顶板部；及电路层，由以电路图案状配设于该绝缘树脂层的一面的金属片构成。
2.本技术基于2020年11月25日在日本技术的专利申请2020-195064号主张优先权，并将其内容援用于此。


背景技术：

3.功率模块、led模块及热电模块为如下结构：在绝缘层的一面形成有由导电材料组成的电路层的绝缘电路基板上，接合有功率半导体元件、led元件及热电元件。
4.作为上述的绝缘电路基板，例如提出有专利文献1中所记载的金属基底电路基板。并且，在专利文献2中提出了多层布线基板。
5.在专利文献1中所记载的金属基底电路基板中，在金属基板上形成有绝缘树脂层，在该绝缘树脂层上形成有具有电路图案的电路层。在此，绝缘树脂层由作为热固化型树脂的环氧树脂构成，电路层由铜箔构成。
6.该金属基底电路基板为如下结构：在电路层上接合有半导体元件，在金属基板的与绝缘树脂层相反的一侧的面配设有散热器，将在半导体元件中产生的热向散热器侧传递而实现散热。
7.而且，在专利文献1中所记载的金属基底电路基板中，通过对配设于绝缘树脂层上的铜箔进行蚀刻处理而形成电路图案。
8.并且，专利文献2中所记载的多层布线基板通过如下方法来制造：即，通过对附着于树脂膜的金属箔进行蚀刻处理，使金属箔的表面粗糙度(ra)为0.2μm以上，而且以电路图案状进行蚀刻处理而形成布线电路层，一边对软质的绝缘片的表面施加压力一边埋设形成于树脂膜的表面的布线电路层，使绝缘电路层转印到绝缘片的表面，将如此所得到的多个绝缘片进行层叠，并统一进行加热固化，由此来制造该多层布线基板。
9.专利文献1：日本特开2015-207666号公报(a)
10.专利文献2：日本特开平09-135057号公报(a)
11.然而，最近有通过电路层所搭载的半导体元件的电流变大的倾向，随之来自半导体元件的发热量也变大。因此，为了确保导电性及导热性，要求电路层的厚壁化。
12.在此，在将电路层厚壁化的情况下，若如专利文献1、2所述的那样通过蚀刻处理形成电路图案，则在电路层的端面产生塌边(sagging)，电场集中于电路层的端面，绝缘性有可能降低。
13.因此，作为不实施蚀刻处理而形成电路层的方法，考虑将预先赋予所期望的形状的冲切金属片接合于绝缘树脂层。根据该方法，即使将电路层厚壁化，金属片的端面也不会产生塌边，能够确保电路图案间的绝缘性，并且也可缩短电路图案间的距离。
14.并且，在接合绝缘树脂层与电路层的情况下，对电路层的表面进行粗化处理，使接合面的表面粗糙度变粗，由此可提高绝缘树脂层与电路层的接合可靠性。
15.在此，在具备散热鳍片的散热器的顶板部形成有上述的绝缘树脂层且在该绝缘树脂层的与散热器相反一侧的面配设有电路层的散热器一体型绝缘电路基板中，优选对电路层的表面及散热器的表面进行粗化处理后，接合散热器、绝缘树脂层及电路层。
16.然而，在电路层及散热器的顶板部的除了与绝缘树脂层的接合面以外的区域也被粗化处理的情况下，有可能在之后的电镀处理时无法良好地形成电镀层。
17.并且，若电路层的表面被粗化处理，则也有可能无法良好地进行焊接及引线接合。并且，在电路层流过高频电流时因表皮效应而电流流过电路层的表面，但若进行粗化处理则电阻有可能变大。
18.为了不对电路层及散热器的顶板部的除了与绝缘树脂层的接合面以外的区域进行粗化处理，可以考虑在粗化处理时进行遮蔽。但是，在具备散热鳍片的散热器中，遮蔽除了接合面以外的区域是非常困难的。


技术实现要素：

19.本发明是鉴于前述情况而完成的，目的在于提供一种电路层及散热器与绝缘树脂层的接合可靠性及绝缘性优异，并且能够对电路层及散热器良好地进行焊接、引线接合及电镀，且可以以低成本稳定地制造的散热器一体型绝缘电路基板及散热器一体型绝缘电路基板的制造方法。
20.为了解决上述的课题，本发明的一方案的散热器一体型绝缘电路基板(以下称为“本发明的散热器一体型绝缘电路基板”)的特征在于，具备：散热器，具备散热鳍片；绝缘树脂层，形成于该散热器的顶板部；及电路层，由以电路图案状配设于该绝缘树脂层的一面的金属片构成，由所述金属片的端部与所述绝缘树脂层的表面所形成的角度θ在70
°
以上且110
°
以下的范围内，将所述散热器的顶板部的与所述绝缘树脂层的接合面及所述金属片的与所述绝缘树脂层的接合面的轮廓曲面的均方根高度设为sq1，将所述散热器的顶板部的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域及所述金属片的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度设为sq2，将所述散热器的顶板部的与所述绝缘树脂层的接合面及所述金属片的与所述绝缘树脂层的接合面的轮廓曲线的均方根高度设为rq1，将所述散热器的顶板部的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域及所述金属片的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度设为rq2，此时，满足sq1＞sq2或rq1＞rq2。
21.根据该构成的散热器一体型绝缘电路基板，由所述金属片的端部与所述绝缘树脂层的表面所形成的角度θ在70
°
以上且110
°
以下的范围内，在电路层的端面不会产生塌边，能够抑制电路层的端面的电场集中，从而绝缘性优异。
22.而且，所述散热器的顶板部的与所述绝缘树脂层的接合面及所述金属片的与所述绝缘树脂层的接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1大于所述散热器的顶板部的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域及所述金属片的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2，或者所述散热器的顶板部的与所述绝缘树脂层的接合面及所述金属片的与所述绝缘树脂层的接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1大于所述散热
器的顶板部的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域及所述金属片的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2，接合面设定为比除了接合面以外的区域还粗糙，因此金属片与绝缘树脂层及绝缘树脂层与散热器的顶板部的接合可靠性优异，并且除了接合面以外的表面不粗糙，电镀性、焊接性及引线接合性优异。
23.在此，在本发明的散热器一体型绝缘电路基板中，所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2之比sq1/sq2或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2之比rq1/rq2优选在1.1以上且5.0以下的范围内。
24.此时，所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2之比sq1/sq2或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2之比rq1/rq2为1.1以上，由此所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1足够大，金属片与绝缘树脂层及绝缘树脂层与散热器的顶板部的接合可靠性优异。
25.并且，除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2足够小，电镀性、焊接性及引线接合性优异。
26.另一方面，所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2之比sq1/sq2或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2之比rq1/rq2为5.0以下，因此所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2并没有很大不同，能够以比较低的成本制造该散热器一体型绝缘电路基板。
27.并且，在本发明的散热器一体型绝缘电路基板中，所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1优选在0.45μm以上且1.0μm以下的范围内。
28.此时，所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1足够大，因此金属片与绝缘树脂层及绝缘树脂层与散热器的顶板部的接合可靠性优异。
29.进一步地，在本发明的散热器一体型绝缘电路基板中，除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2优选在0.1μm以上且0.4μm以下的范围内。
30.此时，除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2足够小，因此电镀性、焊接性及引线接合性优异。
31.在本发明的一方案的散热器一体型绝缘电路基板的制造方法(以下称为“本发明的散热器一体型绝缘电路基板的制造方法”)中，所述散热器一体型绝缘电路基板具备：散热器；具备散热鳍片；绝缘树脂层，形成于该散热器的顶板部；及电路层，由以电路图案状配设于该绝缘树脂层的一面的金属片构成，所述散热器一体型绝缘电路基板的制造方法的特征在于，具备：表面粗化工序，对所述散热器的表面及所述金属片的表面进行粗化处理；树
脂组合物配设工序，在进行了所述表面粗化工序的所述散热器的所述顶板部，配设由热固化树脂构成的树脂组合物；金属片配置工序，在该树脂组合物上以电路图案状配置所述金属片；加压及加热工序，通过将所述散热器、所述树脂组合物及所述金属片至少向层叠方向进行加压并且进行加热，使所述树脂组合物固化以形成所述绝缘树脂层，并且接合所述绝缘树脂层与所述金属片及所述绝缘树脂层与所述散热器；及化学抛光工序，在所述加压及加热工序后，对所述散热器及所述金属片的表面进行化学抛光。
32.根据本发明的散热器一体型绝缘电路基板的制造方法，实施对所述散热器及所述金属片的表面进行粗化处理的表面粗化工序之后，实施树脂组合物配设工序、金属片配置工序、加压及加热工序，因此电路层及所述散热器的顶板部的与绝缘树脂层的接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1或轮廓曲线的均方根高度rq1变得足够大，能够制造金属片及散热器与绝缘树脂层的接合可靠性优异的散热器一体型绝缘电路基板。
33.而且，具备在加压及加热工序后，对所述散热器及所述金属片的表面进行化学抛光的化学抛光工序，因此电路层及散热器的顶板部的除了与绝缘树脂层的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或轮廓曲线的均方根高度rq2变得足够小，能够制造电镀性、焊接性及引线接合性优异的散热器一体型绝缘电路基板。
34.根据本发明，能够提供一种电路层及散热器与绝缘树脂层的接合可靠性及绝缘性优异，并且可对电路层及散热器良好地进行焊接、引线接合及电镀，且可以以低成本稳定地制造的散热器一体型绝缘电路基板及散热器一体型绝缘电路基板的制造方法。
附图说明
35.图1是使用了作为本发明的实施方式的散热器一体型绝缘电路基板的功率模块的剖视说明图。
36.图2是图1所示的散热器一体型绝缘电路基板的电路层(金属片)与绝缘树脂层的接合界面的放大说明图。
37.图3是表示作为本发明的实施方式的散热器一体型绝缘电路基板的制造方法的一例的流程图。
38.图4是表示作为本发明的实施方式的散热器一体型绝缘电路基板的制造方法的一例的说明图。
39.图5是表示作为本发明的实施方式的散热器一体型绝缘电路基板的制造方法的一例的说明图。
40.图6是在实施例中评价绝缘电路基板的耐电压性的试验装置的概略说明图。
具体实施方式
41.以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
42.图1中显示本发明的实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10及使用了该散热器一体型绝缘电路基板10的功率模块1。
43.该功率模块1具备散热器一体型绝缘电路基板10、及通过焊料层2接合于该散热器一体型绝缘电路基板10的一侧(在图1中为上侧)的半导体元件3。
44.半导体元件3为具备半导体的电子部件，根据所需的功能选择各种半导体元件。
45.用于接合散热器一体型绝缘电路基板10与半导体元件3的焊料层2例如为sn-ag系、sn-cu系、sn-in系或sn-ag-cu系的焊料材(所谓无铅焊料材)。
46.散热器一体型绝缘电路基板10具备散热器20、形成于该散热器20的顶板部21的一面(在图1中为上面)的绝缘树脂层12及形成于绝缘树脂层12的一面(在图1中为上面)的电路层13。另外，上述半导体元件3接合于电路层13的一面(在图1中为上面)。
47.散热器20具备顶板部21及从该顶板部21的另一面(在图1中为下面)突出的散热鳍片22。
48.该散热器20为如下结构：在顶板部21中将热向面方向扩散，并且通过散热鳍片22向外部散热。因此，散热器20由导热性优异的金属(例如铜或铜合金、铝或铝合金)构成。在本实施方式中，由无氧铜(ofc)构成。
49.在此，散热器20的顶板部21的厚度优选设定在0.5mm以上且6.0mm以下的范围内。
50.另外，散热器20可以为散热鳍片22呈针状鳍片的结构，也可以为散热鳍片22形成为梳形的结构。并且，优选将散热鳍片22在形成有散热鳍片22的部位中所占的体积比例设为10％以上且40％以下的范围内。
51.绝缘树脂层12为防止电路层13与散热器20之间的电连接的层，由具有绝缘性的树脂构成。
52.在本实施方式中，为了确保绝缘树脂层12的强度，并且确保导热性，优选使用含有无机材料的填料的树脂。在此，作为填料，例如能够使用氧化铝、氮化硼、氮化铝等。从确保绝缘树脂层12的导热性的观点出发，填料的含量优选为50质量％以上，更优选为70质量％以上。
53.并且，作为热固性树脂，例如能够使用环氧树脂、聚酰亚胺树脂、硅树脂等。在此，若为环氧树脂，则能够含有80质量％以上的填料。
54.另外，为了充分确保绝缘树脂层12的绝缘性，将绝缘树脂层12的厚度的下限优选设为25μm以上，更优选设为50μm以上。另一方面，为了进一步确保散热器一体型绝缘电路基板10的散热性，将绝缘树脂层12的厚度的上限优选设为300μm以下，更优选设为200μm以下。
55.绝缘树脂层12的导热系数w/(m
·
k)优选为0.5w/(m
·
k)以上且20w/(m
·
k)以下，更优选为0.7w/(m
·
k)以上且18w/(m
·
k)以下。
56.绝缘树脂层12的介质击穿电压(kv/mm)优选为50kv/mm以上且65kv/mm以下，更优选为52kv/mm以上且62kv/mm以下。
57.如图1所示，通过在绝缘树脂层12的一面(在图1中为上面)接合由导电性优异的金属构成的金属片33来形成有电路层13。作为金属片33，能够使用铜或铜合金、铝或铝合金等。在本实施方式中，作为构成电路层13的金属片33，可使用将无氧铜的轧制板冲切而成的金属片。
58.在该电路层13中，通过以电路图案状配置上述的金属片33而形成有电路图案，其一面(在图1中为上面)为搭载半导体元件3的搭载面。
59.在此，电路层13(金属片33)的厚度为0.5mm以上。另外，电路层13(金属片33)的厚度优选为1.0mm以上，更优选为1.5mm以上。并且，电路层13(金属片33)的厚度的上限并无特别限制，实际上为3.0mm以下。
60.使用sat(超声波影像装置，hitachi power solutions制fine sat v)评价了电路
层13与半导体元件3的接合面，将未剥离的面积的比例作为接合率，接合率优选为90％以上。
61.在290℃
×
10min的条件下对散热器一体型绝缘电路基板10进行加热处理，使用sat评价金属片33的表面及散热器20的表面与绝缘树脂层12的接合面，将未剥离的面积的比例作为接合率，加热处理后的接合率优选为90％以上。
62.而且，在沿着层叠方向的剖面中，电路层13(金属片33)的与绝缘树脂层12的接合界面附近的端面形状如图2所示那样，在电路图案的端部中，由绝缘树脂层12的表面与电路层13(金属片33)的端面所形成的角度θ在70
°
以上且110
°
以下的范围内。
63.另外，该角度θ的下限更优选为80
°
以上，进一步优选为85
°
以上。另一方面，角度θ的上限更优选为100
°
以下，进一步优选为95
°
以下。
64.所述角度θ例如能够由以下方法来测量。
65.(角度θ的测量方法)
66.对电路层的剖面，使用离子束剖面研磨机(jeol ltd.制sm-09010)，以离子加速电压：5kv、加工时间：14小时、从遮蔽板突起的突出量：100μm进行离子蚀刻之后，使用扫描型电子显微镜(sem)观察电路图案的端部，测量由电路层(金属片)的端部与绝缘树脂层的表面所形成的角度θ(端部角度θ)。
67.在此，在作为本实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10中，将散热器20的顶板部21的与绝缘树脂层12的接合面及电路层13的与绝缘树脂层12的接合面的轮廓曲面的均方根高度设为sq1，将散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度设为sq2，将散热器20的顶板部21的与绝缘树脂层12的接合面及电路层13的与绝缘树脂层12的接合面的轮廓曲线的均方根高度设为rq1，将散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度设为rq2，此时，满足sq1＞sq2或rq1＞rq2。
68.即，电路层13及散热器20的顶板部21与绝缘树脂层12的接合面的表面粗糙度比除了该接合面以外的区域的表面粗糙度更粗。
69.另外，在本实施方式中，散热器20的顶板部21的与绝缘树脂层12的接合面及电路层13的与绝缘树脂层12的接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1和散热器20的顶板部21的与绝缘树脂层12的接合面及电路层13的与绝缘树脂层12的接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1表示相同的数值。
70.并且，散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2和散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2表示相同的数值。
71.并且，在本实施方式中，上述的接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1与除了上述的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2之比sq1/sq2或上述的接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1与除了上述的接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2之比rq1/rq2优选在1.1以上且5.0以下的范围内，更优选在1.5以上且4.0以下的范围内，进一步优选在2.0以上且3.0以下的范围内。
72.另外，sq1/sq2或rq1/rq2更优选为1.5以上，进一步优选为2.0以上。并且，sq1/sq2或rq1/rq2更优选为4.0以下，进一步优选为3.0以下。
73.进一步地，在本实施方式中，散热器20的顶板部21的与绝缘树脂层12的接合面及电路层13的与绝缘树脂层12的接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1或散热器20的顶板部21的与绝缘树脂层12的接合面及电路层13的与绝缘树脂层12的接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1优选在0.45μm以上且1.0μm以下的范围内，更优选在0.5μm以上且0.9μm以下的范围内，进一步优选在0.6μm以上且0.8μm以下的范围内。
74.另外，上述的接合面的均方根高度sq1或rq1更优选为0.5μm以上，进一步优选为0.6μm以上。并且，上述的接合面的均方根高度sq1或rq1更优选为0.9μm以下，进一步优选为0.8μm以下。
75.并且，在本实施方式中，散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2优选在0.1μm以上且0.4μm以下的范围内。
76.另外，除了上述的接合面以外的区域的均方根高度sq2或rq2更优选为0.15μm以上，进一步优选为0.20μm以上。并且，除了上述的接合面以外的区域的均方根高度sq2或rq2更优选为0.35μm以下，进一步优选为0.30μm以下。
77.以下，利用图3至图5对作为本实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10的制造方法进行说明。
78.(表面粗化工序s01)
79.首先，对成为电路层13的金属片33及散热器20的表面进行粗化处理。另外，在本实施方式中，将表面粗化工序s01后的上述表面的轮廓曲面的均方根高度及轮廓曲线的均方根高度优选设在0.45μm以上且1.0μm以下的范围内。
80.具体而言，在成为电路层13的金属片33的表面及散热器20的表面形成粗化电镀层。由此，在成为电路层13的金属片33及散热器20的表面，分别形成凹凸部。另外，粗化电镀层如以下方式形成。
81.对金属片33及散热器20的表面进行电解电镀处理。在本实施方式中，作为电解电镀液，优选使用由如下水溶液组成的电解液，该水溶液向以硫酸铜(cuso4)及硫酸(h2so4)为主成分的硫酸铜浴中添加3,3'-二硫代双(1-丙磺酸)二钠而成。并且，电镀液的温度例如优选在25℃以上且35℃以下的范围内。
82.而且，作为电解电镀处理，使用pr(periodic reverse，周期反向)脉冲电解法。该pr脉冲电解法为一边使电流的方向周期性地反转一边通电以进行电解电镀的方法。例如，将5a/dm2以上且30a/dm2以下的正电解(将金属片33及散热器20作为阳极的阳极电解)设为1ms以上且1000ms以下，将1a/dm2以上且20a/dm2以下的负电解(将金属片33及散热器20作为负极的负极电解)设为1ms以上且1000ms以下，并重复该操作。由此，重复实施金属片33及散热器20的表面的溶解与铜的析出，形成粗化电镀层。
83.(树脂组合物配设工序s02)
84.接着，如图4所示，在散热器20的顶板部21的一面(在图4中为上面)，配设含有无机
材料的填料、树脂及固化剂的树脂组合物32。在本实施方式中，关于树脂组合物32，使用片状物。
85.(金属片配置工序s03)
86.接着，如图4所示，在树脂组合物32的一面(在图4中为上面)，以电路图案状配置成为电路层13的多个金属片33。
87.(加压及加热工序s04)
88.接着，如图4所示，配置于加压装置70的上压板71及下压板72之间，将散热器20、树脂组合物32及金属片33向层叠方向进行加压并且进行加热，由此使树脂组合物32固化来形成绝缘树脂层12，并且接合散热器20的顶板部21与绝缘树脂层12、绝缘树脂层12与金属片33。
89.在本实施方式中，如图4所示，构成为在加压及加热工序s04中，在金属片33侧(上压板71侧)配置缓冲材45，在散热器20侧(下压板72)配置具备与缓冲材45的周缘部相对的导引壁部53的接收夹具50，通过上压板71及下压板72将金属片33、树脂组合物32及散热器20向层叠方向进行加压。在加压时，通过缓冲材45的周缘部与接收夹具50的导引壁部53接触，抑制缓冲材45的周缘部向外突出。
90.另外，在本实施方式中，如图4所示，在散热器20的散热鳍片22的部分也配设缓冲材45。
91.在此，缓冲材45的硬度h1优选在10
°
以上且75
°
以下的范围内。在本实施方式中，缓冲材45例如由硅氧橡胶等构成。另外，缓冲材的硬度测量是使用asker硬度计c型(kobunshi keiki co.,ltd.制)且根据jis k 7312进行的测量。
92.并且，接收夹具50(导引壁部53)的硬度h2优选在50以上且1000以下的范围内。在本实施方式中，接收夹具50例如由铝合金或碳等构成。另外，接收夹具的硬度测量是根据jis z 2244：2009维氏硬度试验进行的测量。
93.并且，在加压及加热工序s04中，优选加热温度在120℃以上且350℃以下的范围内，加热温度下的保持时间在10分钟以上且180分钟以下的范围内。并且，层叠方向的加压荷载优选在1mpa以上且30mpa以下的范围内。
94.在此，加热温度的下限更优选为150℃以上，进一步优选为170℃以上。另一方面，加热温度的上限更优选为320℃以下，进一步优选为300℃以下。
95.加热温度下的保持时间的下限更优选为30分钟以上，进一步优选为60分钟以上。另一方面，加热温度下的保持时间的上限更优选为120分钟以下，进一步优选为90分钟以下。
96.层叠方向的加压荷载的下限更优选为3mpa以上，进一步优选为5mpa以上。另一方面，层叠方向的加压荷载的上限更优选为15mpa以下，进一步优选为10mpa以下。
97.(化学抛光工序s05)
98.在加压及加热工序s04之后，进行化学抛光，使散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的表面平滑化。在本实施方式中，将化学抛光工序s05后的散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的表面的轮廓曲面的均方根高度及轮廓曲线的均方根高度优选设在0.1μm以上且0.4μm以下
的范围内。
99.另外，作为用于化学抛光工序s05的化学抛光液75，例如能够使用包含硫酸与过氧化氢的水溶液。
100.通过上述各工序，制造作为本实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10。
101.(半导体元件接合工序s06)
102.而且，在散热器一体型绝缘电路基板10的电路层13上接合半导体元件3。在本实施方式中，通过焊料材来接合电路层13与半导体元件3。通过以上的工序，制造图1所示的功率模块1。
103.根据如上所述构成的本实施方式的散热器一体型绝缘电路基板10，由电路层13(金属片33)的端部与绝缘树脂层12的表面所形成的角度θ在70
°
以上且110
°
以下的范围内，电路层13(金属片33)的端面不会产生塌边，能够抑制电路层13(金属片33)的端面的电场集中，从而绝缘性优异。
104.而且，散热器20的顶板部21的与绝缘树脂层12的接合面及电路层13(金属片33)的与绝缘树脂层12的接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1设定为比散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13(金属片33)的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2更粗，或者散热器20的顶板部21的与绝缘树脂层12的接合面及电路层13(金属片33)的与绝缘树脂层12的接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1设定为比散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域及电路层13(金属片33)的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2更粗，因此电路层13(金属片33)与绝缘树脂层12及绝缘树脂层12与散热器20的顶板部21的接合可靠性优异，并且除了接合面以外的表面不粗糙，电镀性、焊接性及引线接合性优异。
105.在本实施方式中，当所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2之比sq1/sq2或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2之比rq1/rq2为1.1以上时，散热器20的顶板部21及电路层13(金属片33)的与绝缘树脂层12的接合面的均方根高度sq1或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1足够大，电路层13(金属片33)与绝缘树脂层12及绝缘树脂层12与散热器20的顶板部21的接合可靠性尤其优异。并且，散热器20的顶板部21及电路层13(金属片33)的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的均方根高度sq2或除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2足够小，电镀性、焊接性及引线接合性尤其优异。
106.并且，当所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2之比sq1/sq2或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2之比rq1/rq2为5.0以下时，所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2并没有很大不同，不需要在必要以上的条件下实施表面粗化工序s01及化学抛光工序s05，能够以低成本稳定地制造散热器一体型绝缘电路基板10。
107.在本实施方式中，当散热器20的顶板部21及电路层13(金属片33)的与绝缘树脂层
12的接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1在0.45μm以上且1.0μm以下的范围内时，所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1足够大，因此电路层13(金属片33)与绝缘树脂层12及绝缘树脂层12与散热器20的顶板部21的接合可靠性优异。
108.在本实施方式中，当散热器20的顶板部21及电路层13(金属片33)的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2在0.1μm以上且0.4μm以下的范围内时，散热器20的顶板部21及电路层13(金属片33)的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2足够小，因此电镀性、焊接性及引线接合性优异。
109.根据本实施方式所涉及的散热器一体型绝缘电路基板10的制造方法，实施对散热器20的表面及金属片33的表面进行粗化处理的表面粗化工序s01之后，实施树脂组合物配设工序s02、金属片配置工序s03和加压及加热工序s04，因此电路层13(金属片33)及散热器20的顶板部21的与绝缘树脂层12的接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1或轮廓曲线的均方根高度rq1变得足够大，能够制造电路层13(金属片33)及散热器20的顶板部21与绝缘树脂层12的接合可靠性优异的散热器一体型绝缘电路基板10。
110.而且，在加压及加热工序s04后，具备对散热器20的表面及电路层13的表面进行化学抛光的化学抛光工序s05，因此电路层13及散热器20的顶板部21的除了与绝缘树脂层12的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或轮廓曲线的均方根高度rq2变得足够小，能够制造电镀性、焊接性及引线接合性优异的散热器一体型绝缘电路基板10。
111.并且，能够不进行蚀刻处理而形成电路图案，并且可以高精度地形成电路层13的端面形状，能够抑制电路层13的接合界面的端部的电场集中。由此，能够制造绝缘性优异的散热器一体型绝缘电路基板10。
112.以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内，能够适当进行变更。
113.例如，在本实施方式中，对在散热器一体型绝缘电路基板的电路层上搭载功率半导体元件构成功率模块的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，也可以在散热器一体型绝缘电路基板上搭载led元件构成led模块，也可以在散热器一体型绝缘电路基板的电路层上搭载热电元件构成热电模块。
114.进一步地，在本实施方式中，对在表面粗化工序中形成粗糙面电镀层的情况进行了说明，但并不限定于此，可以通过其他方式来实施表面粗化工序。
115.实施例
116.以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
117.准备了具备散热鳍片的散热器(无氧铜(ofc)制、顶板部厚度3.0mm)及形成电路层的金属片(材质、厚度参考表1)。
118.在此，在本发明例1～12、比较例2中，在散热器及金属片的表面，通过具体实施方式栏中所记载的方式，实施了表面粗化处理。
119.接着，在散热器的顶板部上配置表1所示的树脂组合物的片材，在该树脂组合物的片材上，配置表1所示的形成电路层的金属片，将层叠而成的散热器、树脂组合物的片材及
金属片向层叠方向进行加压并且进行加热而使树脂组合物固化来形成绝缘树脂层，并且接合散热器的顶板部与绝缘树脂层及绝缘树脂层与金属片，从而获得了散热器一体型绝缘电路基板。另外，在片材为聚酰亚胺的情况下，层叠方向的加压压力为5mpa，加热温度为300℃，加热温度下的保持时间为60分钟。在片材为环氧的情况下，层叠方向的加压压力为10mpa，加热温度为200℃，加热温度下的保持时间为60分钟。
120.之后，在本发明例1～12中，浸渍于化学抛光液实施了化学抛光处理。另外，作为化学抛光液，使用了由硫酸100g/l、过氧化氢30g/l、作为剩余部分的离子交换水构成的溶液。
121.另外，在比较例3中，不实施表面粗化处理及化学抛光处理，代替金属片而接合金属板，之后通过蚀刻处理而形成电路图案。
122.关于如以上那样所得到的散热器一体型绝缘电路基板，分别对以下的项目进行了评价。
123.(由电路层(金属片)的端部与绝缘树脂层的表面所形成的角度θ)
124.对电路层的剖面，使用离子束剖面研磨机(jeol ltd.制sm-09010)，以离子加速电压：5kv、加工时间：14小时、从遮蔽板突起的突出量：100μm进行离子蚀刻之后，使用扫描型电子显微镜(sem)观察电路图案的端部。而且，测量由电路层(金属片)的端部与绝缘树脂层的表面所形成的角度θ(端部角度θ)。
125.(表面粗糙度)
126.测量表面粗化处理后的金属片及散热器、以及化学抛光处理后的金属片及散热器的表面粗糙度。
127.使用olympus corporation制激光显微镜lext ol5000，以倍率100倍测量了表面粗糙度。测量部位随机设为10处，作为粗糙度参数，将10处的均方根高度sq的平均值作为指标进行了评价。
128.另外，表面粗化处理后的金属片及散热器的表面的均方根高度为与绝缘树脂层的接合面的均方根高度sq1。并且，化学抛光处理后的金属片及散热器的表面的均方根高度为除了与绝缘树脂层的接合面以外的区域的均方根高度sq2。
129.并且，在通过上述的表面粗糙度测量所得到的测量视场中，对认为粗糙度变得最粗糙的方向，计算出轮廓曲面的均方根高度rq。另外，在测量范围内至少测量3处以上。
130.另外，表面粗化处理后的金属片及散热器的表面的均方根高度为与绝缘树脂层的接合面的均方根高度rq1。并且，化学抛光处理后的金属片及散热器的表面的均方根高度为除了与绝缘树脂层的接合面以外的区域的均方根高度rq2。
131.(获得通过剖面观察的接合面的rq)
132.金属片的表面及散热器的表面与绝缘树脂层的接合面的均方根高度rq也能够通过接合面的剖面观察得到。
133.对金属片的表面及散热器的表面与绝缘树脂层的接合面的剖面，使用离子束剖面研磨机(jeol ltd.制sm-09010)，以离子加速电压：5kv、加工时间：14小时、从遮蔽板突起的突出量：100μm进行离子蚀刻之后，通过激光显微镜观察接合界面(视场大小：100μm
×
70μm)。而且，能够由以下式计算出接合界面的轮廓曲面的均方根高度rq。
134.[数式1]
[0135][0136]
l：标准长度(观察视场中的横宽)
[0137]
z(x)：轮廓曲线的函数
[0138]
(介质击穿电压)
[0139]
如图6所示，使探针61接触到电路层13上，评价局部放电。作为测量装置，使用了mitsubishi cable industries,ltd.制的局部放电试验机。另外，作为试验气氛，在3m company制fluorinert(商标)fc-770中实施。
[0140]
而且，将电压以0.5kv的阶梯分布(保持时间60秒)升压，将发生绝缘破坏的电压(泄漏电流为10ma以上的电压)设为介质击穿电压。
[0141]
(接合可靠性)
[0142]
在290℃
×
10min的条件下对所得到的散热器一体型绝缘电路基板进行加热处理，使用sat(超声波影像装置，hitachi power solutions制fine sat v)评价了之后的接合状态。
[0143]
将在接合面中通过sat进行的测量中未剥离的面积的比例作为接合率，将加热处理后的接合率为90％以上的情况评价为“a”，将小于90％的情况评价为“b”。
[0144]
(焊料接合性)
[0145]
在所得到的散热器一体型绝缘电路基板的电路层的表面，使用焊料片(senju metal industry co.,ltd.制m725、8mm见方、厚度0.10mm)，来焊料接合si元件(abb制5sly86e1200、6mm见方)。
[0146]
使用sat(超声波影像装置，hitachi power solutions制fine sat v)评价了电路层与si元件的接合状态。
[0147]
将在接合面中通过sat进行的测量中未剥离的面积的比例作为接合率，将90％以上的情况评价为“a”，将小于90％的情况评价为“b”。
[0148]
[表1]
[0149][0150]
[表2]
[0151][0152]
在比较例1中，未对金属片的表面及散热器的表面实施粗化处理，因此电路层及散热器的与绝缘树脂层的接合面的均方根高度sq1为0.44μm，接合可靠性为
“×”
。
[0153]
在比较例2中，接合后未实施化学抛光处理，因此电路层及散热器的除了与绝缘树脂层的接合面以外的区域的均方根高度sq2为0.79μm，焊料接合性为
“×”
。
[0154]
在比较例3中，通过蚀刻处理形成电路图案，因此电路层的端部角度θ为44
°
，介质击穿电压较低，为47.2kv/mm，从而绝缘性不充分。
[0155]
相对于此，在对金属片的表面及散热器的表面进行粗化处理后与绝缘树脂层接合
并之后实施化学抛光的本发明例1～12中，电路层及散热器的与绝缘树脂层的接合面的均方根高度sq1高于电路层及散热器的除了与绝缘树脂层的接合面以外的区域的均方根高度sq2，接合可靠性及焊料接合性优异。
[0156]
并且，以电路图案状配设金属片并进行接合，因此电路层的端部角度θ在70
°
以上且110
°
以下的范围内，介质击穿电压足够高，从而绝缘性优异。
[0157]
由以上内容确认到，根据本发明能够提供一种电路层及散热器与绝缘树脂层的接合可靠性及绝缘性优异，并且可对电路层及散热器良好地进行焊接、引线接合及电镀，且可以以低成本稳定地制造的散热器一体型绝缘电路基板及散热器一体型绝缘电路基板的制造方法。
[0158]
另外，在本发明例及比较例中，确认到sq1与rq1的值几乎相同，sq2与rq2的值几乎相同。
[0159]
产业上的可利用性
[0160]
根据本发明，能够提供一种电路层及散热器与绝缘树脂层的接合可靠性及绝缘性优异，并且可对电路层及散热器良好地进行焊接、引线接合及电镀，且可以以低成本稳定地制造的散热器一体型绝缘电路基板及散热器一体型绝缘电路基板的制造方法。
[0161]
符号说明
[0162]
1功率模块
[0163]
3半导体元件
[0164]
10散热器一体型绝缘电路基板
[0165]
12绝缘树脂层
[0166]
13电路层
[0167]
20散热器
[0168]
21顶板部
[0169]
22散热鳍片
[0170]
32树脂组合物
[0171]
33金属片。

技术特征：
1.一种散热器一体型绝缘电路基板，其特征在于，具备：散热器，具备散热鳍片；绝缘树脂层，形成于该散热器的顶板部；及电路层，由以电路图案状配设于该绝缘树脂层的一面的金属片构成，由所述金属片的端部与所述绝缘树脂层的表面所形成的角度θ在70
°
以上且110
°
以下的范围内，将所述散热器的顶板部的与所述绝缘树脂层的接合面及所述金属片的与所述绝缘树脂层的接合面的轮廓曲面的均方根高度设为sq1，将所述散热器的顶板部的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域及所述金属片的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度设为sq2，将所述散热器的顶板部的与所述绝缘树脂层的接合面及所述金属片的与所述绝缘树脂层的接合面的轮廓曲线的均方根高度设为rq1，将所述散热器的顶板部的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域及所述金属片的除了与所述绝缘树脂层的接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度设为rq2，此时，具有sq1＞sq2或rq1＞rq2的关系。2.根据权利要求1所述的散热器一体型绝缘电路基板，其特征在于，所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2之比sq1/sq2或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1与除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2之比rq1/rq2在1.1以上且5.0以下的范围内。3.根据权利要求1或2所述的散热器一体型绝缘电路基板，其特征在于，所述接合面的轮廓曲面的均方根高度sq1或所述接合面的轮廓曲线的均方根高度rq1在0.45μm以上且1.0μm以下的范围内。4.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器一体型绝缘电路基板，其特征在于，除了所述接合面以外的区域的轮廓曲面的均方根高度sq2或除了所述接合面以外的区域的轮廓曲线的均方根高度rq2在0.1μm以上且0.4μm以下的范围内。5.一种散热器一体型绝缘电路基板的制造方法，所述散热器一体型绝缘电路基板具备：散热器，具备散热鳍片；绝缘树脂层，形成于该散热器的顶板部；及电路层，由以电路图案状配设于该绝缘树脂层的一面的金属片构成，所述散热器一体型绝缘电路基板的制造方法的特征在于，具备：表面粗化工序，对所述散热器的表面及所述金属片的表面进行粗化处理；树脂组合物配设工序，在进行了所述表面粗化工序的所述散热器的所述顶板部，配设由热固化树脂构成的树脂组合物；金属片配置工序，在该树脂组合物上以电路图案状配置所述金属片；加压及加热工序，通过将所述散热器、所述树脂组合物及所述金属片至少向层叠方向进行加压并且进行加热，使所述树脂组合物固化以形成所述绝缘树脂层，并且接合所述绝缘树脂层与所述金属片及所述绝缘树脂层与所述散热器；及化学抛光工序，在所述加压及加热工序后，对所述散热器及所述金属片的表面进行化学抛光。

技术总结
具备：散热器(20)，具备散热鳍片(22)；绝缘树脂层(12)，形成于散热器(20)的顶板部(21)；及电路层(13)，配设于绝缘树脂层(12)的一面，由金属片(33)的端部与绝缘树脂层(12)的表面所形成的角度θ为70


技术研发人员：坂庭庆昭 大桥东洋 坂卷万里奈 久保田贤治
受保护的技术使用者：三菱综合材料株式会社
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2023/8/24