JP2010186789A - 絶縁回路基板、インバータ装置、及びパワー半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁信頼性の高い絶縁回路基板及びこの絶縁回路基板を使用する関連技術を提供することを課題とする。
【解決手段】金属ベース基板１上に絶縁層２を介して導体回路４が形成されている絶縁回路基板１２において、前記絶縁層２は、前記導体回路４との界面を形成するとともに無機充填材８が絶縁樹脂７に分散してなる複合絶縁層２ａと、無機充填材８を含まない樹脂単体絶縁層２ｂと、を少なくとも含む複数の層が積層してなることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】金属ベース基板１上に絶縁層２を介して導体回路４が形成されている絶縁回路基板１２において、前記絶縁層２は、前記導体回路４との界面を形成するとともに無機充填材８が絶縁樹脂７に分散してなる複合絶縁層２ａと、無機充填材８を含まない樹脂単体絶縁層２ｂと、を少なくとも含む複数の層が積層してなることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、電気的絶縁性に優れる絶縁回路基板に関し、特に、インバータ装置、パワー半導体装置等の電力制御装置に応用される技術に関する。
従来から絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；Insulated Gate Bipolar Transistor）並びにダイオード等の半導体素子、抵抗及びコンデンサ等の回路部品を絶縁回路基板上に搭載して構成したインバータ装置又はパワー半導体装置が知られている。
これらの電力制御装置はその耐圧や電流容量に応じて各種機器に応用されている。特に、近年の環境問題、省エネルギー化推進の観点から、各種電気機械へのこれら電力制御装置の使用が年々拡大している。これら電力制御装置は、大容量化かつ小スペース化を実現するために、高電圧化及び小型高密度化が求められている。
これらの電力制御装置はその耐圧や電流容量に応じて各種機器に応用されている。特に、近年の環境問題、省エネルギー化推進の観点から、各種電気機械へのこれら電力制御装置の使用が年々拡大している。これら電力制御装置は、大容量化かつ小スペース化を実現するために、高電圧化及び小型高密度化が求められている。
インバータ装置及びパワー半導体装置等に使用される絶縁回路基板は、従来では数１００Ｖ程度の比較的低電圧が印加される用途に使用されていたが、省エネルギー化及び大容量化の要請により、近年では１ｋＶ以上の高電圧が印加されるようになってきた。
これにともない、絶縁回路基板には、高い放熱性が要求されるようになり、そのために絶縁層における無機充填材の高充填化、並びに絶縁層の薄肉化が検討されている。しかし、絶縁層の薄肉化を進めると絶縁破壊に短時間で至る問題がある。
これにともない、絶縁回路基板には、高い放熱性が要求されるようになり、そのために絶縁層における無機充填材の高充填化、並びに絶縁層の薄肉化が検討されている。しかし、絶縁層の薄肉化を進めると絶縁破壊に短時間で至る問題がある。
この絶縁層における放熱特性と、耐絶縁破壊特性とを両立させた公知技術としては、次のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、絶縁層のうち導体回路に接する表面層を導電性微粒子やＢａＴｉＯ3などの高誘電率を有する無機充填材を充填させ、反対層に対して誘電率を大きく構成する技術が知られている（詳しくは、後記する比較例２に関連する記載を参照）。
しかしながら、前記した公知技術（比較例２）においては、後記する第一の絶縁破壊原因である交流電圧に対する耐電圧特性（トリー発生の抑制）は向上するものの、後記する第二の絶縁破壊原因である直流高電圧が印加された場合の劣化現象（マイグレーション発生）は抑制できない。
従って、前記した公知技術を高温・高湿の環境下で使用する場合においては、かえって絶縁性能は悪化する問題がある（図６の比較例１と比較例２の結果を参照）。この場合、短期間的には大きなリーク電流による漏電遮断器を誤動作させる問題を引き起こし、長期使用においてマイグレーション劣化を引き起こし最終的には絶縁破壊する問題を引き起こす。
従って、前記した公知技術を高温・高湿の環境下で使用する場合においては、かえって絶縁性能は悪化する問題がある（図６の比較例１と比較例２の結果を参照）。この場合、短期間的には大きなリーク電流による漏電遮断器を誤動作させる問題を引き起こし、長期使用においてマイグレーション劣化を引き起こし最終的には絶縁破壊する問題を引き起こす。
本発明は、係る問題を解決することを課題とし、絶縁信頼性の高い絶縁回路基板、及びこの絶縁回路基板を使用する関連技術を提供することを目的にする。
前記した課題を解決するために本発明は、金属ベース基板上に絶縁層を介して導体回路が形成されている絶縁回路基板において、前記絶縁層は、前記導体回路との界面を形成するとともに無機充填材が絶縁樹脂に分散してなる複合絶縁層と、無機充填材を含まない樹脂単体絶縁層と、を少なくとも含む複数の層が積層してなることを特徴とする。
このように発明が構成されることにより、絶縁回路基板に、交流高電圧が印加された場合の第一の絶縁破壊原因と、直流高電圧が印加された場合の第二の絶縁破壊原因とを、同時に解消することができる。
本発明によれば、絶縁信頼性の高い絶縁回路基板、及びこの絶縁回路基板を使用する関連技術が提供される。
本発明の実施形態に係る絶縁回路基板について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明の実施形態に係る絶縁回路基板１２Ａの断面図を示し、図１（ｂ）は他の変形例である絶縁回路基板１２Ｂを示している。なお、以下において図示される二つのものを区別する必要が特にない説明は、単に「絶縁回路基板１２」のようにアルファベットの添字を省略して記載する。
図１（ａ）に示されるように絶縁回路基板１２Ａは、金属ベース基板１上に絶縁層２を介して導体回路４が形成されている。このように構成される絶縁回路基板１２は、特に、インバータ装置、パワー半導体装置等のように高電圧が付与されることにより電気回路の発熱量が大きくなる用途に好適なものである。
図１（ａ）は本発明の実施形態に係る絶縁回路基板１２Ａの断面図を示し、図１（ｂ）は他の変形例である絶縁回路基板１２Ｂを示している。なお、以下において図示される二つのものを区別する必要が特にない説明は、単に「絶縁回路基板１２」のようにアルファベットの添字を省略して記載する。
図１（ａ）に示されるように絶縁回路基板１２Ａは、金属ベース基板１上に絶縁層２を介して導体回路４が形成されている。このように構成される絶縁回路基板１２は、特に、インバータ装置、パワー半導体装置等のように高電圧が付与されることにより電気回路の発熱量が大きくなる用途に好適なものである。
金属ベース基板１は、アルミニウム板、銅板などの良熱伝導体の材質から構成されるものである。これにより、パワー半導体素子で発生した熱及び導体回路４に電流が流れることにより発生したジュール熱は、絶縁層２を通過して、この金属ベース基板１から外部に放熱されることになる。
絶縁層２は、複合絶縁層２ａと樹脂単体絶縁層２ｂとが積層された構成を有し、金属ベース基板１と導体回路４との間に配置され、両者を電気的に絶縁するものである。
さらに、この絶縁層２は、導体回路４の発熱に対する高い耐熱性と、この発熱を金属ベース基板１に伝達する高い熱伝達性とを備えている必要がある。
この絶縁層２の厚さの範囲は、１００μｍ〜５００μｍの範囲に含まれることが望ましい。１００μｍ以下では、電気絶縁性が低下し、５００μｍ以上では放熱性が低下するからである。
さらに、この絶縁層２は、導体回路４の発熱に対する高い耐熱性と、この発熱を金属ベース基板１に伝達する高い熱伝達性とを備えている必要がある。
この絶縁層２の厚さの範囲は、１００μｍ〜５００μｍの範囲に含まれることが望ましい。１００μｍ以下では、電気絶縁性が低下し、５００μｍ以上では放熱性が低下するからである。
複合絶縁層２ａは、絶縁層２の積層構造の表面層であって、導体回路４との界面を形成するものである。そして、この複合絶縁層２ａは、図１の矢示拡大部に示されるように、無機充填材８が絶縁樹脂７に分散して構成されている。
絶縁樹脂７は、具体的には、エポキシ樹脂を主体とする樹脂、ポリイミド樹脂を主体とする樹脂、シリコーン樹脂を主体とする樹脂、アクリル樹脂を主体とする樹脂、ウレタン樹脂を主体とする樹脂のうちいずれかの化合物、若しくは変成物、又はこれらの混合物か構成されるものである。
無機充填材８は、具体的には、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＳｉＯ2（シリカ）、ＡｌＮ（窒化アルミ）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｉＣ（炭化けい素）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化けい素）のうちいずれかの化合物、又はこれらの混合物から構成されるものである。
絶縁樹脂７は、具体的には、エポキシ樹脂を主体とする樹脂、ポリイミド樹脂を主体とする樹脂、シリコーン樹脂を主体とする樹脂、アクリル樹脂を主体とする樹脂、ウレタン樹脂を主体とする樹脂のうちいずれかの化合物、若しくは変成物、又はこれらの混合物か構成されるものである。
無機充填材８は、具体的には、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＳｉＯ2（シリカ）、ＡｌＮ（窒化アルミ）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｉＣ（炭化けい素）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化けい素）のうちいずれかの化合物、又はこれらの混合物から構成されるものである。
これら絶縁樹脂７及び無機充填材８の組み合わせとして複合絶縁層２ａは、エポキシ樹脂中に、シリカ、アルミナを分散、混合させたものが好適である。
このように、複合絶縁層２ａが構成されることにより、このような無機充填材８を含まない絶縁樹脂７のみからなる樹脂単体絶縁層２ｂと対比して、電気絶縁性及び熱伝導性が向上するほかに、比誘電率が向上するという作用が発揮される（図５参照）。
このように、複合絶縁層２ａが構成されることにより、このような無機充填材８を含まない絶縁樹脂７のみからなる樹脂単体絶縁層２ｂと対比して、電気絶縁性及び熱伝導性が向上するほかに、比誘電率が向上するという作用が発揮される（図５参照）。
導体回路４は、絶縁回路基板１２が搭載される図示略の電力制御装置（インバータ装置、パワー半導体装置等）が制御する制御電流が主に導通するところである。
この導体回路４の絶縁層２の表面上への作成方法は次の通りである。まず、金属箔（銅箔等）の表面を粗化処理し、この処理面と絶縁層２の表面とを貼り合せる。次に、化学エッチングにより導体回路４のパターン部分以外の不要部分を除去する。その後、必要に応じて、ニッケル等の金属めっき（図示せず）を施して導体回路４を得る。
この導体回路４の絶縁層２の表面上への作成方法は次の通りである。まず、金属箔（銅箔等）の表面を粗化処理し、この処理面と絶縁層２の表面とを貼り合せる。次に、化学エッチングにより導体回路４のパターン部分以外の不要部分を除去する。その後、必要に応じて、ニッケル等の金属めっき（図示せず）を施して導体回路４を得る。
樹脂単体絶縁層２ｂは、不可避不純物を除き非導電性の高分子材料のみで構成される。具体的には、絶縁樹脂７と同じ材質でよいが、その他の例示した化合物等で構成されてもよい。ただし、樹脂単体絶縁層２ｂを構成する化合物の選択により、比誘電率が、複合絶縁層２ａよりも大きくならないようにする必要がある。
また、樹脂単体絶縁層２ｂの厚さは、２０μｍ〜１００μｍの範囲に含まれるものである。
この樹脂単体絶縁層２ｂの厚さが２０μｍ未満であると、後記するマイグレーション１０（図２（ｃ）参照）の生成を有効に防止することができない。またこの厚さが１００μｍよりも大きいと、導体回路４の発熱が金属ベース基板１に熱伝達するのを阻害して放熱性が低下する。
また、樹脂単体絶縁層２ｂの厚さは、２０μｍ〜１００μｍの範囲に含まれるものである。
この樹脂単体絶縁層２ｂの厚さが２０μｍ未満であると、後記するマイグレーション１０（図２（ｃ）参照）の生成を有効に防止することができない。またこの厚さが１００μｍよりも大きいと、導体回路４の発熱が金属ベース基板１に熱伝達するのを阻害して放熱性が低下する。
次に図１（ｂ）を参照して、変形例に係る絶縁回路基板１２Ｂの説明を行う。
この絶縁回路基板１２Ｂは、その絶縁層２´が三層で構成されている点において、二層で構成される絶縁回路基板１２Ａ（図１（ａ））の絶縁層２と相違する。
絶縁回路基板１２Ｂの絶縁層２´は、樹脂単体絶縁層２ｂが、対向する二つの複合絶縁層２ａ，２ｃに挟持された構成となっている。
つまり、絶縁回路基板１２を構成する絶縁層２，２´は、導体回路４との界面を形成する複合絶縁層２ａと、樹脂単体絶縁層２ｂとを少なくとも含んでいれば、その他の層（複合絶縁層２ｃ）が介在していても発明の目的が達成されるものである。
この絶縁回路基板１２Ｂは、その絶縁層２´が三層で構成されている点において、二層で構成される絶縁回路基板１２Ａ（図１（ａ））の絶縁層２と相違する。
絶縁回路基板１２Ｂの絶縁層２´は、樹脂単体絶縁層２ｂが、対向する二つの複合絶縁層２ａ，２ｃに挟持された構成となっている。
つまり、絶縁回路基板１２を構成する絶縁層２，２´は、導体回路４との界面を形成する複合絶縁層２ａと、樹脂単体絶縁層２ｂとを少なくとも含んでいれば、その他の層（複合絶縁層２ｃ）が介在していても発明の目的が達成されるものである。
次に、本発明に適用される絶縁層２（２´）の作用について説明する。
図２（ａ）は、複合絶縁層２ａが単独で金属ベース基板１に設けられている比較例１に係る絶縁回路基板１３である。図２（ｂ）（ｃ）は比較例１における導体回路４の周辺の拡大図であって絶縁回路基板１３に高電圧を印加して絶縁破壊に至る原因を説明するための図である。
図２（ａ）は、複合絶縁層２ａが単独で金属ベース基板１に設けられている比較例１に係る絶縁回路基板１３である。図２（ｂ）（ｃ）は比較例１における導体回路４の周辺の拡大図であって絶縁回路基板１３に高電圧を印加して絶縁破壊に至る原因を説明するための図である。
図２（ｂ）を参照して、第一の絶縁破壊原因について説明する。
一般に、薄肉化された複合絶縁層２ａ上の導体回路４に交流高電圧を印加すると、金属ベース基板１との間に形成される電界は、この複合絶縁層２ａが厚肉である場合に比較して大きくなる。
一方、この導体回路４は、複合絶縁層２ａとの界面が粗化されており（図示略）、化学エッチングされて形成したものであるために、その端部（複合絶縁層２ａからの立ち上がり部分）が図示されるように鋭く尖った鋭利な形状となっている。
このために、導体回路４のこの端部近傍の複合絶縁層２ａには、電界が特に集中し高い交流電界が付与される。すると、この高い交流電界により部分放電が発生し、トリー９と呼ばれる樹枝状の放電劣化痕が複合絶縁層２ａに形成され、やがて導体回路４及び金属ベース基板１の間を短絡、絶縁破壊に至らしめる。
一般に、薄肉化された複合絶縁層２ａ上の導体回路４に交流高電圧を印加すると、金属ベース基板１との間に形成される電界は、この複合絶縁層２ａが厚肉である場合に比較して大きくなる。
一方、この導体回路４は、複合絶縁層２ａとの界面が粗化されており（図示略）、化学エッチングされて形成したものであるために、その端部（複合絶縁層２ａからの立ち上がり部分）が図示されるように鋭く尖った鋭利な形状となっている。
このために、導体回路４のこの端部近傍の複合絶縁層２ａには、電界が特に集中し高い交流電界が付与される。すると、この高い交流電界により部分放電が発生し、トリー９と呼ばれる樹枝状の放電劣化痕が複合絶縁層２ａに形成され、やがて導体回路４及び金属ベース基板１の間を短絡、絶縁破壊に至らしめる。
次に、図２（ｃ）を参照して、第二の絶縁破壊原因について説明する。
絶縁回路基板１３が高温高湿の環境で使用される場合、すでに説明したように複合絶縁層２ａは、絶縁樹脂７に無機充填材８が高密度に充填されて構成されているために、この複合絶縁層２ａは吸湿しやすい性質を有している。
すると、無機充填材８に多く含まれる塩素イオン等の不純物イオンの働きにより、導体回路４に直流高電圧を印加すると、マイグレーション１０と呼ばれる、無機充填材８と絶縁樹脂７との界面に沿ってイオン化された導体金属が移動する現象が生じる。
これにより、このマイグレーション１０を伝って、直流高電圧が印加されている導体回路４から金属ベース基板１に向かうリーク電流が増大し、やがて絶縁破壊に至ることになる。
絶縁回路基板１３が高温高湿の環境で使用される場合、すでに説明したように複合絶縁層２ａは、絶縁樹脂７に無機充填材８が高密度に充填されて構成されているために、この複合絶縁層２ａは吸湿しやすい性質を有している。
すると、無機充填材８に多く含まれる塩素イオン等の不純物イオンの働きにより、導体回路４に直流高電圧を印加すると、マイグレーション１０と呼ばれる、無機充填材８と絶縁樹脂７との界面に沿ってイオン化された導体金属が移動する現象が生じる。
これにより、このマイグレーション１０を伝って、直流高電圧が印加されている導体回路４から金属ベース基板１に向かうリーク電流が増大し、やがて絶縁破壊に至ることになる。
引き続いて、図１（ａ）に戻って、本発明において耐電圧特性が優れ絶縁破壊が生じにくいことの説明を行う。
前記したように、複合絶縁層２ａの誘電率εaは、樹脂単体絶縁層２ｂの誘電率εbよりも大きく構成されている（εa＞εb）。このように、異なる誘電率の絶縁層２ａ，２ｂを積層して構成することにより、誘電率の大きな複合絶縁層２ａが分担する電圧を小さくして導体回路４の端部の電界集中を緩和することができる。これにより、トリー９（図２（ｂ）参照）の形成が抑制され、前記した第一の絶縁破壊原因を解消することができる。
前記したように、複合絶縁層２ａの誘電率εaは、樹脂単体絶縁層２ｂの誘電率εbよりも大きく構成されている（εa＞εb）。このように、異なる誘電率の絶縁層２ａ，２ｂを積層して構成することにより、誘電率の大きな複合絶縁層２ａが分担する電圧を小さくして導体回路４の端部の電界集中を緩和することができる。これにより、トリー９（図２（ｂ）参照）の形成が抑制され、前記した第一の絶縁破壊原因を解消することができる。
さらに、本願発明の絶縁回路基板１２においては、樹脂単体絶縁層２ｂが存在することにより、仮に複合絶縁層２ａにおいてマイグレーション１０（図２（ｃ）参照）が発生しても、その成長が阻害され、金属ベース基板１にまで到達することが困難である。これにより前記した第二の絶縁破壊原因を解消することができる。
以上説明した絶縁回路基板１２は、導体回路４の上に回路部品（不図示）が搭載され図示略のインバータ装置及びパワー半導体装置等の電力制御装置に応用される。
ここでインバータ装置とは直流電力から交流電力を電気的に生成する（逆変換する機能を持つものである。
またパワー半導体装置とは、通常の半導体素子に比べて高耐圧化、大電流化、高速・高周波化されている特徴を有し、一般的にはパワーデバイスと呼ばれ、整流ダイオード、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、トライアックなどが挙げられる。
ここでインバータ装置とは直流電力から交流電力を電気的に生成する（逆変換する機能を持つものである。
またパワー半導体装置とは、通常の半導体素子に比べて高耐圧化、大電流化、高速・高周波化されている特徴を有し、一般的にはパワーデバイスと呼ばれ、整流ダイオード、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、トライアックなどが挙げられる。
図５の表に示されるように、本発明の効果を確認するために、図１（ａ）に対応する実施例１、図１（ｂ）に対応する実施例２、図２（ａ）に対応する比較例１、図３（特許文献１）に対応する比較例２に係る絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４を作成して、それぞれの絶縁性能を比較した。
（実施例１；図１（ａ）参照）
厚さ２．０ｍｍのアルミニウム製の金属ベース基板１上に、エポキシ樹脂単体の樹脂単体絶縁層２ｂを、硬化後の厚さで約５０μmとなるように塗布形成する。この樹脂単体絶縁層２ｂの比誘電率は３．６であった。
次に、この樹脂単体絶縁層２ｂの上にエポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ2Ｏ3（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ａを硬化後の厚さで約１５０μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ａの比誘電率は８．０であった。
そして、この複合絶縁層２ａ上に厚さ１０５μmの電解銅箔（導体回路４）を貼り合わせた後、１５０℃で５時間熱処理し絶縁層２を硬化させて、この絶縁層２の厚みが合計で約２００μmになるようにした。その後、電解銅箔が導体回路４となるように不要な部分をエッチングにより除去し、絶縁回路基板１２Ａを作成した。
（実施例１；図１（ａ）参照）
厚さ２．０ｍｍのアルミニウム製の金属ベース基板１上に、エポキシ樹脂単体の樹脂単体絶縁層２ｂを、硬化後の厚さで約５０μmとなるように塗布形成する。この樹脂単体絶縁層２ｂの比誘電率は３．６であった。
次に、この樹脂単体絶縁層２ｂの上にエポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ2Ｏ3（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ａを硬化後の厚さで約１５０μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ａの比誘電率は８．０であった。
そして、この複合絶縁層２ａ上に厚さ１０５μmの電解銅箔（導体回路４）を貼り合わせた後、１５０℃で５時間熱処理し絶縁層２を硬化させて、この絶縁層２の厚みが合計で約２００μmになるようにした。その後、電解銅箔が導体回路４となるように不要な部分をエッチングにより除去し、絶縁回路基板１２Ａを作成した。
（実施例２；図１（ｂ）参照）
厚さ２．０mmのアルミニウム製の金属ベース基板１上に、エポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ2Ｏ3（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ｃを、硬化後の厚さで約７５μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ｃの比誘電率は８．０であった。
また、厚さ１０５μmの電解銅箔（導体回路４）上にも、同様に、エポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ2Ｏ3（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ａを硬化後の厚さで約７５μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ａの比誘電率も８．０であった。
そして金属ベース基板１上の複合絶縁層２ｃ上にシリコーン樹脂単体の樹脂単体絶縁層２ｂを硬化後の厚さで約５０μmとなるように塗布形成した。この樹脂単体絶縁層２ｂの比誘電率は２．４であった。
次に、この樹脂単体絶縁層２ｂ上に、複合絶縁層２ａを形成した電解銅箔を、複合絶縁層２ａと樹脂単体絶縁層２ｂとが接するように貼り合わせた後、１５０℃で５時間熱処理し絶縁層２を硬化させた。その後、電解銅箔を試験回路となるように回路以外の不要な部分をエッチングにより除去し、絶縁回路基板１２Ｂを作成した。
厚さ２．０mmのアルミニウム製の金属ベース基板１上に、エポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ2Ｏ3（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ｃを、硬化後の厚さで約７５μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ｃの比誘電率は８．０であった。
また、厚さ１０５μmの電解銅箔（導体回路４）上にも、同様に、エポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ2Ｏ3（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ａを硬化後の厚さで約７５μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ａの比誘電率も８．０であった。
そして金属ベース基板１上の複合絶縁層２ｃ上にシリコーン樹脂単体の樹脂単体絶縁層２ｂを硬化後の厚さで約５０μmとなるように塗布形成した。この樹脂単体絶縁層２ｂの比誘電率は２．４であった。
次に、この樹脂単体絶縁層２ｂ上に、複合絶縁層２ａを形成した電解銅箔を、複合絶縁層２ａと樹脂単体絶縁層２ｂとが接するように貼り合わせた後、１５０℃で５時間熱処理し絶縁層２を硬化させた。その後、電解銅箔を試験回路となるように回路以外の不要な部分をエッチングにより除去し、絶縁回路基板１２Ｂを作成した。
（比較例１；図２（ａ）参照）
図２は従来の絶縁回路基板の断面図を示す。
厚さ２．０mmのアルミニウム製の金属ベース基板１上に、エポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ２Ｏ３（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ａを硬化後の厚さで約２００μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ａの比誘電率は８．０であった。
そして、この複合絶縁層２ａ上に厚さ１０５μmの電解銅箔（導体回路４）を貼り合わせた後、１５０℃で５時間熱処理し複合絶縁層２ａを硬化させた。その後、銅箔を試験回路となるように回路以外の不要な部分をエッチングにより除去し、比較例１に係る絶縁回路基板１３を作成した。
図２は従来の絶縁回路基板の断面図を示す。
厚さ２．０mmのアルミニウム製の金属ベース基板１上に、エポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ２Ｏ３（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ａを硬化後の厚さで約２００μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ａの比誘電率は８．０であった。
そして、この複合絶縁層２ａ上に厚さ１０５μmの電解銅箔（導体回路４）を貼り合わせた後、１５０℃で５時間熱処理し複合絶縁層２ａを硬化させた。その後、銅箔を試験回路となるように回路以外の不要な部分をエッチングにより除去し、比較例１に係る絶縁回路基板１３を作成した。
（比較例２；図３参照）
厚さ２．０mmのアルミニウム製の金属ベース基板１上に、エポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ2Ｏ3（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ａを硬化後の厚さで約１５０μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ａの比誘電率は８．０であった。
そして、この複合絶縁層２ａ上にエポキシ樹脂中に平均粒径８０μmのカーボンブラック微粒子を１０重量％混合した高誘電絶縁層６を硬化後の厚さで約５０μmとなるように塗布形成した。この高誘電絶縁層６の比誘電率は１５であった。
さらに高誘電絶縁層６の上に厚さ１０５μmの電解銅箔（導体回路４）を貼り合わせた後、１５０℃で５時間熱処理をし、絶縁層２ａ，６を硬化させて合計の絶縁層の厚さを約２００μmとした。その後、電解銅箔が試験回路となるように導体回路４以外の不要な部分をエッチングにより除去し、比較例２に係る絶縁回路基板１４を作成した。
厚さ２．０mmのアルミニウム製の金属ベース基板１上に、エポキシ樹脂（絶縁樹脂７）中に平均粒径５．０μmのＡｌ2Ｏ3（アルミナ）粒子を無機充填材８として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層２ａを硬化後の厚さで約１５０μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層２ａの比誘電率は８．０であった。
そして、この複合絶縁層２ａ上にエポキシ樹脂中に平均粒径８０μmのカーボンブラック微粒子を１０重量％混合した高誘電絶縁層６を硬化後の厚さで約５０μmとなるように塗布形成した。この高誘電絶縁層６の比誘電率は１５であった。
さらに高誘電絶縁層６の上に厚さ１０５μmの電解銅箔（導体回路４）を貼り合わせた後、１５０℃で５時間熱処理をし、絶縁層２ａ，６を硬化させて合計の絶縁層の厚さを約２００μmとした。その後、電解銅箔が試験回路となるように導体回路４以外の不要な部分をエッチングにより除去し、比較例２に係る絶縁回路基板１４を作成した。
（各種絶縁試験）
実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２に対し、本発明の効果を検証するために、下記の（１）部分放電試験、（２）絶縁破壊試験、（３）課電劣化寿命試験、（４）高温高湿バイアス試験を実施した。
実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２に対し、本発明の効果を検証するために、下記の（１）部分放電試験、（２）絶縁破壊試験、（３）課電劣化寿命試験、（４）高温高湿バイアス試験を実施した。
（１）部分放電試験
作製した実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４に対し、部分放電測定システムを用いて、部分放電試験を実施した。
この部分放電試験は、外部放電（沿面放電）の防止と水分の影響を排除するために、各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４を絶縁油中に置いて実施した。そして、各絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の導体回路４と金属ベース基板１との間に、交流電圧を０Vから１００Ｖ／秒の速度で上昇させながら印加し、部分放電が開始する電圧を測定した。ここで部分放電開始の閾値を５ｐＣと設定した。
作製した実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４に対し、部分放電測定システムを用いて、部分放電試験を実施した。
この部分放電試験は、外部放電（沿面放電）の防止と水分の影響を排除するために、各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４を絶縁油中に置いて実施した。そして、各絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の導体回路４と金属ベース基板１との間に、交流電圧を０Vから１００Ｖ／秒の速度で上昇させながら印加し、部分放電が開始する電圧を測定した。ここで部分放電開始の閾値を５ｐＣと設定した。
図５に示す表の項目（１）に絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の部分放電開始電圧の測定結果を示す。この表に示されるように、実施例１及び実施例２の部分放電開始電圧は、それぞれ１．８ｋＶ及び２．０ｋＶであり、比較例１の１．２ｋＶと比較して部分放電開始電圧が向上した。一方、比較例２の部分放電電圧は１．８ｋＶであり、実施例１及び実施例２と同程度の効果が得られている。
（２）絶縁破壊試験
作成した実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４に対し、耐電圧試験器を用いて、絶縁破壊試験を実施した。
この絶縁破壊試験は、前記部分放電試験と同じ条件で実施し、絶縁層２が絶縁破壊する電圧を測定した。
作成した実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４に対し、耐電圧試験器を用いて、絶縁破壊試験を実施した。
この絶縁破壊試験は、前記部分放電試験と同じ条件で実施し、絶縁層２が絶縁破壊する電圧を測定した。
図５に示す表の項目（２）に絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の絶縁破壊試験結果（耐電圧試験結果）を示す。この表に示されるように、実施例１及び実施例２の絶縁破壊電圧は、それぞれ７．５ｋＶ及び８．０ｋＶであり、比較例１の６．４ｋＶと比較して絶縁破壊電圧（耐電圧）が向上した。一方、比較例２の絶縁破壊電圧は７．６ｋＶであり、実施例１及び実施例２と同程度の効果が得られている。
（３）課電劣化寿命試験
作成した実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４に対し、温度の設定可能な恒温槽付の耐電圧試験器を用いて、課電劣化寿命試験を実施した。
この課電劣化寿命試験は、試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４を絶縁ケースに入れ、ケース内にエポキシ封止樹脂を注入し硬化させ、絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の全体を封止した。そして、この封止された絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４を１２０℃に温度設定した恒温槽内に配置し、導体回路４と金属ベース基板１との間に交流電圧３ｋＶを印加し、絶縁破壊するまでの時間を測定した。
作成した実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４に対し、温度の設定可能な恒温槽付の耐電圧試験器を用いて、課電劣化寿命試験を実施した。
この課電劣化寿命試験は、試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４を絶縁ケースに入れ、ケース内にエポキシ封止樹脂を注入し硬化させ、絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の全体を封止した。そして、この封止された絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４を１２０℃に温度設定した恒温槽内に配置し、導体回路４と金属ベース基板１との間に交流電圧３ｋＶを印加し、絶縁破壊するまでの時間を測定した。
図５に示す項目（３）に各絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の課電劣化試験結果（寿命時間）を示す。この表に示されるように、実施例１及び実施例２の課電劣化寿命時間は、それぞれ２９０時間及び４２１時間であり、比較例１の４９時間と比較して絶縁破壊するまでの寿命時間が長くなった。一方、比較例２の課電劣化寿命時間は２５３時間であり、実施例１及び実施例２と同程度の効果が得られている。
（４）高温高湿バイアス試験
作成した実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４に対し、温度及び湿度の設定可能な恒温・恒湿槽付の耐電圧試験器を用いて、高温高湿バイアス試験を実施した。
この高温高湿バイアス試験は、８５℃／８５％ＲＨに設定した恒温恒湿槽内に各試験用絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４を直接配置し、導体回路４と金属ベース基板１との間に直流電圧１ｋＶを印加して絶縁抵抗を測定した。そして導体回路４と金属ベース基板１との間の絶縁層２の絶縁抵抗が１ＭΩ以下となった時を絶縁寿命と規定し、この絶縁寿命をなるまでの時間を測定した。
作成した実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各試験用の絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４に対し、温度及び湿度の設定可能な恒温・恒湿槽付の耐電圧試験器を用いて、高温高湿バイアス試験を実施した。
この高温高湿バイアス試験は、８５℃／８５％ＲＨに設定した恒温恒湿槽内に各試験用絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４を直接配置し、導体回路４と金属ベース基板１との間に直流電圧１ｋＶを印加して絶縁抵抗を測定した。そして導体回路４と金属ベース基板１との間の絶縁層２の絶縁抵抗が１ＭΩ以下となった時を絶縁寿命と規定し、この絶縁寿命をなるまでの時間を測定した。
図６に各絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の高温高湿バイアス試験のグラフを示す。このグラフには、測定される絶縁抵抗の経時変化が記録されている。
このグラフに示されるように、各絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の絶縁抵抗は、経過時間とともに低下する傾向にあるといえる。しかし、実施例１及び実施例２は、試験終了の２０００時間においても絶縁抵抗の測定値が１０００ＭΩ以上を保っており、絶縁破壊は認められなかった。一方、比較例１は試験時間５００時間の時点で絶縁抵抗が１００ＭΩ台となり、試験開始約１７００時間で絶縁寿命を迎えた。また、比較例２においては、試験時間２００時間で絶縁抵抗が１００ＭΩ台、７００時間で１０ＭΩ台と絶縁抵抗が低下し、試験開始約１３００時間で絶縁寿命を迎えた。
このグラフに示されるように、各絶縁回路基板１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４の絶縁抵抗は、経過時間とともに低下する傾向にあるといえる。しかし、実施例１及び実施例２は、試験終了の２０００時間においても絶縁抵抗の測定値が１０００ＭΩ以上を保っており、絶縁破壊は認められなかった。一方、比較例１は試験時間５００時間の時点で絶縁抵抗が１００ＭΩ台となり、試験開始約１７００時間で絶縁寿命を迎えた。また、比較例２においては、試験時間２００時間で絶縁抵抗が１００ＭΩ台、７００時間で１０ＭΩ台と絶縁抵抗が低下し、試験開始約１３００時間で絶縁寿命を迎えた。
以上の実施例・比較例の試験結果をまとめると次のようになる。
（１）部分放電試験、（２）絶縁破壊試験、（３）課電劣化寿命試験からは、比較例１の結果のみが不良で、他（実施例１、実施例２、比較例２）の結果は良好であった。
これより、実施例１、実施例２、比較例２では、高圧の交流電圧が付与されることによるトリー９の発生が効果的に抑制されているといえる。
（４）高温高湿バイアス試験からは、実施例１及び実施例２の結果は良好で、比較例１及び比較例２の結果は不良であった。
これより、実施例１及び実施例２では、高温・高湿環境において高圧の直流電圧が付与されてもマイグレーション１０の発生が効果的に抑制されているといえる。一方、比較例１及び比較例２（公知文献１の発明に該当）においては、高温・高湿環境下ではマイグレーション１０の発生防止が困難であることが判明した（図４参照）。特に、比較例２については、単純型である比較例１よりも高温・高湿環境下における絶縁信頼性が低下することが認められた。
以上より、本願発明では、絶縁層２が、複合絶縁層２ａ及び樹脂単体絶縁層２ｂの積層構造を有することにより、トリー９及びマイグレーション１０の発生が効果的に防止されることが実証された。
（１）部分放電試験、（２）絶縁破壊試験、（３）課電劣化寿命試験からは、比較例１の結果のみが不良で、他（実施例１、実施例２、比較例２）の結果は良好であった。
これより、実施例１、実施例２、比較例２では、高圧の交流電圧が付与されることによるトリー９の発生が効果的に抑制されているといえる。
（４）高温高湿バイアス試験からは、実施例１及び実施例２の結果は良好で、比較例１及び比較例２の結果は不良であった。
これより、実施例１及び実施例２では、高温・高湿環境において高圧の直流電圧が付与されてもマイグレーション１０の発生が効果的に抑制されているといえる。一方、比較例１及び比較例２（公知文献１の発明に該当）においては、高温・高湿環境下ではマイグレーション１０の発生防止が困難であることが判明した（図４参照）。特に、比較例２については、単純型である比較例１よりも高温・高湿環境下における絶縁信頼性が低下することが認められた。
以上より、本願発明では、絶縁層２が、複合絶縁層２ａ及び樹脂単体絶縁層２ｂの積層構造を有することにより、トリー９及びマイグレーション１０の発生が効果的に防止されることが実証された。
１ 金属ベース基板
２，２´ 絶縁層
２ａ 複合絶縁層
２ｂ 樹脂単体絶縁層
２ｃ 複合絶縁層
４ 導体回路
７ 絶縁樹脂
８ 無機充填材
９ トリー
１０ マイグレーション
１２，１２Ａ，１２Ｂ 絶縁回路基板
２，２´ 絶縁層
２ａ 複合絶縁層
２ｂ 樹脂単体絶縁層
２ｃ 複合絶縁層
４ 導体回路
７ 絶縁樹脂
８ 無機充填材
９ トリー
１０ マイグレーション
１２，１２Ａ，１２Ｂ 絶縁回路基板
Claims (6)
- 金属ベース基板上に絶縁層を介して導体回路が形成されている絶縁回路基板において、
前記絶縁層は、
前記導体回路との界面を形成するとともに無機充填材が絶縁樹脂に分散してなる複合絶縁層と、
無機充填材を含まない樹脂単体絶縁層と、を少なくとも含む複数の層が積層してなることを特徴とする絶縁回路基板。 - 前記樹脂単体絶縁層の厚さが、２０μｍ〜１００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。
- 前記複合絶縁層を構成する前記絶縁樹脂又は前記樹脂単体絶縁層は、エポキシ樹脂を主体とする樹脂、ポリイミド樹脂を主体とする樹脂、シリコーン樹脂を主体とする樹脂、アクリル樹脂を主体とする樹脂、ウレタン樹脂を主体とする樹脂のうちいずれかの化合物、若しくは変成物、又はこれらの混合物からなることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。
- 前記複合絶縁層に分散している前記無機充填材は、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＳｉＯ2（シリカ）、ＡｌＮ（窒化アルミ）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｉＣ（炭化けい素）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化けい素）のうちいずれかの化合物、又はこれらの混合物であ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１から請求項４のいずれか１項に記載の絶縁回路基板が用いられ、前記導体回路の上に回路部品が搭載されていることを特徴とするインバータ装置。
- 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の絶縁回路基板が用いられ、前記導体回路の上に回路部品が搭載されていることを特徴とするパワー半導体装置。
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2010
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