接線板的製作方法
2023-05-27 11:54:31
專利名稱：接線板的製作方法
技術領域：
本發明涉及接線板，特別是能夠應用到工業用電源裝備的優良散熱屬性的接線板。
相關技術在電源設備中使用的半導體模塊可應用到廣泛的範圍中，從諸如家用空調或冰箱的家用裝備，到諸如逆變器或伺服控制器的工業裝備。具體地，具有優良散熱屬性的金屬基底接線板或陶瓷接線板，例如用在結合功率半導體的IGBT模塊(絕緣柵極雙極型電晶體)中(由於它們產生大量的熱量)。
圖3是示出常規金屬基體接線板的橫截面構造的視圖。
金屬基底接線板具有包括基底金屬101、在該基底金屬頂部形成的絕緣層102、以及在該絕緣層102頂部形成的電路圖案103的上層結構。對於基底金屬101，使用諸如鋁片或銅片的優良散熱屬性的金屬。絕緣層102包括，例如包含有諸如SiO2、Al2O3或AlN的無機填料的環氧樹脂。
對於電路圖案103，通常使用銅箔，有時也使用鋁箔。作為銅箔，通常使用厚度約為35μm到140μm的銅箔。用溼法腐蝕將該銅箔經處理以形成預定的電路圖案。在電流容量很小，大約為10A並且幾乎不產生熱量的功率半導體的情形中，功率半導體可通過焊接直接安裝在該電路圖案103上。在大電流容量的功率半導體的情形中，為了通過將該電路圖案103上的熱量發散來減少熱阻抗，銅箔的厚度增加到大約140μm。如果140μm不夠，還可以使用更厚的銅箔，例如厚度為200μm或250μm厚度的銅箔。此外，如果電路圖案103的厚度超過1mm，例如如果使用3到4mm的厚度，則展示出了熱發散效應，從而使得功率半導體中產生熱量在橫向上發散，並且藉此極大地減少了熱阻抗。
在金屬基底接線板中所用的絕緣層102需要有優良的絕緣可靠性和散熱屬性。此外，絕緣層102需要有優良的應力減緩屬性、抗溼性和耐熱能力等；已知有適於這些方面的樹脂組分(例如參見已
公開日本專利申請號2002-12653、已
公開日本專利申請號2002-76549或已
公開日本專利申請號2002-114836)。在該方式下，通過將電路圖案103和基底金屬101接合，同時優良散熱屬性的絕緣層102介入其間，金屬基底接線板用作為接線板，其上安裝有產生大量熱量的諸如功率半導體的元件。
但是，在包含有SiO2、Al2O3或AlN的無機填料的環氧樹脂的情形中，在填料內容物上有限制，從而該材料的熱傳導係數通常為7到10W/m.K。因此在使用這些填料的功率半導體模塊的電流容量上也有限制當前它們僅可在50A量級的模塊中使用。
相應的，在超過50A的較大容量的功率半導體模塊的情形中，使用陶瓷接線板，它較之金屬基底接線板，具有較高的絕緣層熱傳導率。
圖4是示出常規陶瓷接線板的橫截面結構的視圖，(a)示出陶瓷接線板和(b)示出基底金屬接合其上的陶瓷接線板。
通過將電路圖案103粘到陶瓷絕緣板104的兩側上來構建陶瓷接線板。通過將原料粉末與黏合劑揉制一起以生產片狀的絕緣板來製造出陶瓷絕緣板104，稱為「印刷電路基板」。並將其在高溫下烤制。在這之後，通過將電路圖案103的銅箔或鋁箔在高溫下接合其上來製成接線板。此外，該陶瓷接線板通常通過焊接層105的方式被接合到由厚度約為2mm到3mm的銅片構成的基底金屬101上。
例如，Al2O3、AlN或Si3N4用作為陶瓷絕緣板104的原料。該陶瓷絕緣板104的熱傳導率，在原料是Al2O3的情形下約為20W/m.K，在原料是AlN的情形下約為60到180W/m.K，在原料是Si3N4的情形下約為80W/m.K即它的熱傳導率比無機填料摻入環氧樹脂中的情形要高一到兩個數量級。
但是，在金屬基底接線板的情形中，熱阻抗減少了，因此，如果使用厚銅箔，處理電路圖案層的蝕刻處理所需的時間隨著厚度按比例增加；藉此處理成本大幅增加，從而產生整體成本大幅增加的問題。此外，如果電路圖案層的厚度達到3到4mm，使銅熔化需要很常一段時間，此外，不能高精度地實現電路圖案層邊緣的蝕刻，從而蝕刻處理本身不可行。
另外一個問題是，在陶瓷接線板的情形中，許多步驟是必需的，涉及到首先製造出陶瓷絕緣板，將其與電路圖案接合，進行蝕刻處理，並通過焊接將以該方式製造出的陶瓷接線板與基底金屬接合，從而價格增加，並且要實現價格降低很困難。此外，在陶瓷接線板的情形中，不可能將電路圖案的銅箔做到很厚。雖然可粘貼厚銅箔或銅片以增加熱量分散效應，但銅片必需在1000℃或更高的溫度下與陶瓷絕緣片相接合，因此，如果兩者的厚度不一致，由於在熱膨脹係數上的差異，在冷卻中就會由於雙金屬效應而出現扭曲。並且，如上所述，如果銅箔或銅片做得很厚，則蝕刻處理的成本大幅增加，因此，通常實際上不會使用具有厚度不超過0.6mm的電路圖案的陶瓷接線板。
本發明的目的之一是提供一種可以若干步驟製造出的、低成本和優良熱量發散性能的接線板。
發明內容
根據本發明，為了解決上述問題，一種接線板，其中通過將金屬箔粘貼到絕緣片上、並將該金屬箔處理而形成有電路圖案的接線板的特徵在於，在電路圖案的頂部提供有組合(built-up)電路圖案，通過由冷噴塗將金屬材料層壓在電路圖案的頂部來增加厚度而形成該組合電路圖案。
由於該接線板，在金屬箔的電路圖案的頂部上形成有更大厚度的組合金屬圖案。在該方式中，當功率半導體安裝在該厚度組合電路圖案上時，由其中損耗所產生的熱量通過厚度組合圖案發散，從而熱阻抗可減小，就有可能構建具有極小熱阻抗的優良散熱性的接線板。
同時，根據本發明，包括組合電路圖案的接線板是一種接合到金屬片上的金屬基底接線板，其中絕緣片由填充有無機填料的樹脂所製成。
此外，根據本發明，包括組合電路圖案的接線板是一種陶瓷接線板，其中絕緣片由陶瓷絕緣片製成，同時金屬箔粘合在其兩側上，並且陶瓷絕緣層的原料是SiO2、Al2O3、AlN或Si3N4其中之一。
由於在根據本發明的接線板中，箔的電路圖案可以形成為部分地較厚，當功率半導體安裝在該厚度電路圖案上時，由其損耗所產生的熱量可通過厚度電路圖案發散，從而熱阻抗可減小，具備了優勢可輕易地且低成本地製造出優良散熱性的、以及較之常規金屬基底接線板或陶瓷接線板具有小得多的熱阻抗的接線板。
圖1示出製造根據本發明的接線板的工藝，以及完整的功率半導體模塊的狀態，(a)示出金屬基底接線板，(b)示出使用冷噴塗處理來形成組合電路圖案的步驟，(c)示出其中形成有組合電路圖案的狀態，以及(d)示出功率半導體模塊，其中功率半導體是安裝在組合電路圖案上；
圖2是考慮到組合電路圖案厚度的圖表；圖3是示出常規金屬基底接線襯底的橫截面結構的視圖；以及圖4是示出常規陶瓷接線板的橫截面結構的視圖，(a)示出陶瓷接線板並且(b)示出其中接合有基底金屬的陶瓷接線板。
具體實施例方式
下文將結合附圖對本發明一實施例進行詳細地描述，在附圖中本發明應用為一示例，其中金屬箔粘合在絕緣層上，並且通過處理該金屬箔，金屬基底印刷接線板形成有預定的電路圖案。
圖1示出製造根據本發明的接線板的工藝，以及完整的功率半導體模塊的狀態，(a)示出金屬基底接線板，(b)示出使用冷噴塗處理來形成組合電路圖案的步驟，(c)示出其中形成有組合電路圖案的狀態，以及(d)示出功率半導體模塊，其中功率半導體是安裝在組合電路圖案上。
如圖1(a)所示，金屬基底接線板是三層結構，該結構是通過將包含有無機填料的絕緣層2設置在基底金屬1上，並將電路圖案3粘合其上而組成的。
作為電路圖案3，通常使用銅箔。也可將鋁箔代替銅箔來用作該電路圖案3。粘合在絕緣層2上的銅箔通過溼法蝕刻被處理成預定的圖案，以製成電路圖案3。作為銅箔，通常可使用厚度為35μm到140μm的標準產品。同時，雖然電路圖案3的圖案厚度是由電路的電流容量所確定，但考慮到蝕刻處理的成本，銅箔的厚度是越薄越好。
如上述而形成的金屬基底接線板是與常規的金屬基底接線板相同的，但是，在根據本發明接線板的情形中，僅在預期散熱性要提高的電路圖案3的區域中，其厚度局部地增加了。具體地，如圖1(b)所示，在對應於厚度要預期增加的區域的形狀中形成有孔的掩模4被安置在電路圖案3上，並且通過冷噴塗處理將金屬粉末在常溫下以超音速從上面噴塗其上，藉此在電路圖案3上層積成一層金屬粉末在該方式中，形成了在圖1(c)中所示的組合電路圖案5。
將給出有關冷噴塗處理的描述。冷噴塗被認為是一類噴塗鍍層技術在低於噴塗鍍層材料的熔點或軟化溫度的溫度下將氣體用作產生超音速的氣流；通過將噴塗鍍層材料的微粒注入到該氣流中來使其加速，並通過用這些仍然處在固態的微粒衝擊襯底來形成鍍層。冷噴塗處理的特性特徵是用作加熱/加速噴塗鍍層微粒的工作氣體的溫度要大大低於在例如常規等離子噴塗鍍層方法、焰火噴塗鍍層方法或高速焰火噴塗鍍層方法的情形中的溫度。對於等離子噴塗鍍層等處理，2000到8000℃的高工作氣體溫度是必需的，但是，在冷噴塗的情形中，可使用大約600℃左右的常規溫度的工作氣體。雖然噴塗鍍層材料微粒仍然在固態時以高速撞擊襯底，同時無需高度加熱，當達到臨界速度時，由於衝擊的能量，襯底會產生塑性形變，並產生噴塗鍍敷材料微粒，從而形成鍍層。結果，對比其它的噴塗鍍層方法，由於熱量所導致的噴塗鍍層材料的氧化或熱變性可以降到最小。
在冷噴塗設備中，來自諸如汽缸的高壓氣體被分流到粉末提供設備以及氣體加熱器。對於該高壓氣體，通過使組成主流的工作氣體在提供給噴塗鍍層槍(在此氣體通過超音速噴嘴加速並噴塗)之前，流經由例如電爐直接或間接加熱的線圈外形的氣體管，從而氣體的溫度上升。
同時，一部分工作氣體分流到粉末提供裝置，在此它用作為載體氣體，並且連同噴塗鍍層粉末一同流入到噴塗鍍層槍的後面。在某些情形中，無需執行加熱工作氣體，但是加熱的優勢在於，加熱使得使用更高速的微粒速度成為可能，並且有助於微粒塑性形變的產生。空氣、氦或氮可以用作該氣體。
作為噴塗到電路圖案3上的噴塗鍍層材料，可使用微粒尺寸1到50μm的金屬材料。作為該微粒材料，例如可使用銅、鋁、鐵、鈦、鉬或鎳。對於接線板，通常使用銅或鋁。通過使噴塗鍍層材料以500到900m/s的速度經由相隔10到50mm距離的掩模4，而衝擊在電路圖案3上，來使其澱積組合電路圖案5藉此形成在電路圖案3上，如圖1(c)所示。為了達到組合電路圖案5的必要厚度，要在一段預定的時間內執行用噴塗鍍層材料衝擊。設置組合電路圖案5的厚度時考慮到了由功率半導體所產生的損耗。雖然這取決於所產生的損耗的量，但是有效的組合電路圖案5的厚度大約為0.5到5mm。
通過如上所述的製造步驟來製造出三層結構的金屬基底接線板(其中組合電路圖案5與銅箔直接接合)。在這之後，功率半導體6安裝在通過冷噴塗而澱積的電路圖案5上。功率半導體6通常通過基於SnPb的焊料或基於SnAgCu的焊料而接合到組合電路圖案5上。
最後，為了實現與外部電路連接，使用配線7對功率半導體6執行必要的接線，來製造出如圖1(d)所示的功率半導體模塊。在諸如功率半導體6的大電流容量半導體元件的情形中，鋁線通常用作為配線7。
要注意，雖然通過冷噴塗而構成的組合電流圖案5僅形成在電流圖案3的一部分(在此安裝了半導體6，對於它散熱是必需的)中，但是在整個的電路圖案3上可形成該組合電路圖案5。
同時，無論使用了通過冷噴塗而澱積的銅材料或者其它材料，都可以獲得材料本身所具備的熱傳導性。
此外，在該情形中，作為接線板的一實施例，描述了金屬基底接線板的情形，但是，即使在如圖4所示的陶瓷接線板的情形中，通過相同的製造方法，組合電路圖案可形成在電路圖案103的安裝有功率半導體的一側上。
其次，還描述了通過冷噴塗澱積在電路圖案3上的組合電路圖案5的厚度的最優化。
圖2是考慮到組合電路圖案厚度的圖表。
從功率半導體6中產生的熱流具有通常以45度傾斜角擴散並散開的屬性。如果因此功率半導體6的晶片邊緣到組合電路圖案5的晶片邊緣的距離a等於電路圖案3和組合電路圖案5的厚度總和b，則熱擴散效率表現為最大，就有可能大幅減少熱阻抗。藉此，考慮到功率半導體6的尺寸，在電路圖案3和組合電路圖案5的寬度上無需無用的增加，並且在組合電路圖案5的厚度上無需無用的增加。
同時，由於上述的組合電路圖案5的寬度和厚度的關係，從安裝的功率半導體6的邊緣到組合電路圖案5的邊緣的距離a，以及電路圖案3和組合電路圖案5的厚度總和b的最佳比率為1，只要該比率在0.8到1.2的範圍內，就可獲得基本上良好的熱擴散效果。如果該比率小於0.8，在某些情形中，就不能實現足夠的熱擴散，並且如果該比率超過1.2，該效果已經飽和。
在上述的實施例中，對情形(其中本發明應用到通過將諸如銅的金屬箔粘貼到絕緣層或陶瓷絕緣板上、並處理該金屬箔而形成具有預定電路圖案的印刷接線板)給出了詳細的描述，但是本發明還可應用到引線框電路圖案的厚度調節中。
權利要求
1.一種接線板，其中通過將金屬箔粘貼到絕緣板上並處理所述金屬箔來形成電路圖案，其特徵在於，通過由冷噴塗處理來層積金屬材料而形成的組合電路圖案置於所述電路圖案之上。
2.如權利要求1所述的接線板，其特徵在於，所述絕緣板是接合到金屬板的、包括填充有無機填料的樹脂的金屬基底接線板。
3.如權利要求1所述的接線板，其特徵在於，所述絕緣板是包括具有金屬箔粘貼在其兩側上的陶瓷絕緣板的陶瓷接線板，並且所述陶瓷絕緣板的原料從Al2O3、AlN或Si3N4中選擇一種。
4.如權利要求1所述的接線板，層積在所述電路圖案之上的所述金屬材料從銅、鋁、鐵、鈦、鉬、和鎳中選擇一種。
5.如權利要求1所述的接線板，其特徵在於，通過所述冷噴塗處理而層積的所述組合電路圖案僅在所述電路圖案上安裝有產生熱量半導體組件的區域中形成。
6.如權利要求1所述的接線板，其特徵在於，通過所述冷噴塗處理而層積的所述組合電路圖案在厚度上等於從所安裝半導體晶片的邊緣到圖案邊緣的距離。
7.如權利要求1所述的接線板，其特徵在於，通過所述冷噴塗處理而層積的所述組合電路圖案，其厚度與從所安裝半導體晶片的邊緣到圖案邊緣的距離的比率在0.8到1.2的範圍內。
8.一種半導體設備，其中電路圖案通過將金屬箔粘貼到絕緣板上並處理所述金屬箔形成，一半導體元件安裝在所述電路圖案上，其特徵在於，所述電路圖案的至少一個安裝有半導體元件的區域具有通過冷噴塗處理層積金屬材料而構成的厚度。
全文摘要
本發明的目的之一是提供一種具有優良散熱性和低成本、並且可通過若干步驟製造出的接線板。在其中通過將金屬箔粘貼到絕緣板上而形成電路圖案的接線板中，通過由冷噴塗處理而在該電路圖案的頂部進一步層積金屬材料而增加厚度來形成組合電路圖案。因此，即便是功率半導體安裝在該組合電路圖案上，同時厚度增加，但由其損耗所產生的熱量可由該組合電路圖案擴散，藉此可使得熱阻抗減少，並且有可能構建一接線板，該接線板較之沒有該組合電路圖案的常規接線板，具有優良的散熱性，並且熱阻抗大幅減小。
文檔編號H05K1/03GK1862795SQ200610051560
公開日2006年11月15日 申請日期2006年2月28日 優先權日2005年5月13日
發明者岡本健次 申請人:富士電機控股株式會社