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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