JP5630695B2 - 窒化珪素回路基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
請求項2記載の発明は本発明の絶縁性能に係るものであり、窒化珪素質焼結体からなる絶縁基板の表面に金属箔または金属板からなる回路パターンを形成した窒化珪素回路基板であり、窒化珪素基板表裏の金属板間に5kV−60Hzの交流電圧を印加した際のリーク電流値iが、60Hzの交流周波数印加時に窒化珪素回路基板表裏の金属板間で構成された回路をRC並列回路として算出されるインピーダンス値Zより求めた電流値ic=5kV/Zの2倍以下であることを特徴としている。
(a)マグネシウム(Mg)とルテチウム(Lu)及びイットリウム(Y)を含む希土類元素(RE)から選択された少なくとも1種の希土類元素(RE)を焼結助剤として添加する窒化珪素質焼結体であって、焼結体中にマグネシウム(Mg)を酸化マグネシウム(MgO)換算で0.03〜8.0mol%、ルテチウム(Lu)を酸化ルテチウム(Lu2O3)換算で0.14〜1.30mol%、希土類元素(RE)から選択された少なくとも1種の元素を酸化物(RExOy)換算で0.12〜1.30mol%含有し、残部がβ窒化珪素からなる窒化珪素質焼結体を用いた窒化珪素基板。
(e)上記(c)又は(d)の窒化珪素基板において、焼結体中の総酸素量が2.5質量%以下である窒化珪素焼結体を用いた窒化珪素基板。
(Yb)を含む希土類元素を希土類酸化物(RExOy)に換算したとき、これら酸化物に換算した酸化物含有量の合計が0.6〜10wt%で、かつ、(MgO)/(RExOy)>1であるものが良く、このような窒化珪素質焼結体を用いた窒化珪素基板がある。
σf=α・K1c/(π・c)0.5 ・・・(1)
式(1)において、cは窒化珪素基板中に存在する欠陥のサイズを表している。欠陥としては、例えば、気孔や窒化珪素粗大粒子がある。また、式(1)において、αは、欠陥の形状又は欠陥の存在位置に基づく欠陥同士の相互干渉の度合いにより定まる定数を表している。
式(1)から、窒化珪素基板の強度(σf)の増大には、欠陥のサイズc、例えば、気孔や窒化珪素粗大粒子の径の寄与分よりも、破壊靭性(K1c)の寄与分の方が大きいことが分かる。つまり、破壊靭性(K1c)を向上させれば、窒化珪素基板自体の強度(σf)を増大させることが可能となる。
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
キャリヤフィルムの面粗さ、めっきの活性化処理方法、窒化珪素基板の面粗さ、および面粗さが小さい主面の沿面距離をパラメータとした時の評価結果を表1にまとめて示す。
B0601に準拠してRaとRmaxを算出した。
(1)式において、抵抗値Rは、窒化珪素の抵抗率ρ:1013Ωm、電極面積S:338mm2、窒化珪素基板の厚みt0.32mmの場合、R=ρ・t/Sより算出し、9.5×1012Ωを得た。静電容量Cは、窒化珪素の比誘電率ε:8.3とS,tの値より、C=εo・ε・S/t(εo:真空の誘電率)より算出し、78pFを得た。前記抵抗値Rおよび静電容量Cの値から60Hz時のインピーダンス値を(1)式より求め、35.5MΩと得た。本インピーダンス値を用いて、交流60Hz、5kVrmsの電流値icを5000V/35.5MΩより、0.14mA(アンペアー)と算出した。60Hz、5kVrmsの条件での実際の電流値iを耐電圧テスター(TOS5101 菊水電子工業製)により測定し、i/icを算出した。なお、リファレンスとして金属板をろう付していない窒化珪素基板単独の電流値iを測定ところ、i/ic=1.02を得た。窒化珪素基板単独の場合、ろう付或いはめっき工程等で導電性を有する金属が基板表面に付着する工程を経ていないため、窒化珪素基板の材質特有の抵抗値を有していると考えられることから、窒化珪素回路基板を抵抗とコンデンサーの並列回路と想定したことは正しいことがわかる。
平均粒子径が0.5μmのα型窒化珪素粉末93重量部に、酸化マグネシウム(MgO)4重量部と、酸化イットリウム(Y2O3)3重量部を含む焼結助剤とを配合し、前記のドクターブレード法にて面粗さRaが0.04μmmの搬送用キャリヤフィルムを用いて成形体を作製し、1850℃の温度、0.92MPaの窒素加圧雰囲気にて焼結することにより0.32mm厚の窒化珪素素質焼結体を得た。得られた焼結体はレーザ加工によりスクライブ状に加工し、その後、#200のアルミナ砥粒を用いて、0.2MPaの条件で湿式ブラスト処理することで窒化珪素基板表面の仕上げを行った。その後、前記記載の工程で窒化珪素回路基板を作製し、最後にレーザ加工に沿った形状に分割することで所定形状に仕上げた。その基板寸法は30×20mmで、窒化珪素基板の厚みが0.32mm、金属板の銅厚が0.5mm、表裏の金属板の重複する面積は338mm2である。
無電解ニッケルめっきの活性化方法として、ニッケルめっき液が内外に流通するナイロン製のメッシュケース内に、ニッケル球を入れて無電解ニッケルリンめっき液中でニッケルめっき球と配線回路パターン13及び16とを接触させた後、めっきを行ったものである。なお、実施例1では成形時に搬送用キャリヤフィルムに接していた面を配線回路パターン13側の面(面1)とし、同面に半導体素子15を搭載して、評価項目のひとつである熱抵抗評価を行った。i/icは1.4と小さく沿面部分からのリーク電流は小さいことがわかる。その結果として、8.8kVrmsの絶縁破壊電圧が得られた。また、焼結温度が充分に高く、窒化珪素の粒成長を充分に促進したため、窒化珪素基板が90W/mKと高い熱伝導率を有するため、熱抵抗も0.17℃/Wと充分に低く、かつヒートサイクル試験後においても、0.20℃/Wの低い熱抵抗を維持している。
実施例1とは反対に搬送用キャリヤフィルムに接していた面を放熱板16側の面(面2)とし、それ以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。実施例1と同様に絶縁性、熱伝導性ともに実施例1と同等の性能を示していて、面粗さの小さい面が配線回路パターン13及び16のいずれの面に接合されても性能に変化がないことを示している。
搬送用キャリヤフィルムの面粗さを変えたこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。キャリヤフィルムの面粗さが粗くなると窒化珪素基板表裏の面粗さの差が小さくなり、絶縁耐圧が若干低下する傾向があるが、キャリヤフィルムの面粗さRaが0.1μm以下であれば、充分な絶縁性能と熱抵抗を有していることが確認できる。
めっきの活性化処理に使う金属球を白金としたこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。ニッケル球を用いた実施例1と同等の結果を得た。なお、実施例には記載していないが、ニッケル、白金球以外の場合でも金、パラジウム球あるいはこれらの合金球等、ニッケルよりも貴な金属球を用いれば同様のめっき活性化効果を得ることができる。
窒化珪素の焼結条件を変えて窒化珪素基板の面粗さを変えた場合の実施例である。実施例6は焼結温度を標準の1850℃よりも50℃低い、1800℃で焼結したこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。本実施例では焼結温度を50℃下げたため、粒成長が少ないため基板表面の面粗さは小さくなっていて、面粗さRaのみが本発明の範囲内となっているが、絶縁性能は高く、熱抵抗が若干高くなっているが、合格範囲内に収まっている。
焼結温度を1875℃としたこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。他の実施例より粒成長しているため基板面粗さはやや粗くなっているが絶縁性能、熱抵抗を満足している。
焼結温度を1875℃としたこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。他の実施例より粒成長しているため基板面粗さはやや粗くなっていて面2の粗さRaが1μmを超えているが絶縁性能、熱抵抗を満足している。
めっき活性化処理をパラジウム溶液で行ったこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。絶縁性能はニッケル球を用いた場合よりも若干低下するが、依然高い絶縁特性を維持している。
面粗さが小さい主面側(実施例では面1側)の沿面距離を変えたこと以外は実施例9と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。沿面距離が基板厚み(本実施例では基板厚み0.32mm)よりも大きければ高い絶縁性を確保していることが確認できる。
めっき活性化処理をパラジウム溶液で行い、基板厚みをそれぞれ0.2、0.25、0.64、1.0mmとしたこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。なお、成形の際に用いたキャリヤフィルムはいずれもRa=0.04μmである。実施例1〜12までと基板厚みが異なるため、電流値、初期熱抵抗値は異なるが、いずれの実施例においても良好な絶縁信頼性と良好な熱伝導性(低熱抵抗性)を示した。なお、基板厚みが薄い実施例13,14は電圧が低く耐電圧は多少低くても良く、かつ、より高い熱伝導性を必要とする用途、例えばハブリット車のモータ駆動用インバータ等に適している。一方、基板厚みが厚い実施例15,16では、設置スペースが広いくて、熱抵抗は多少高くても良いが、より高い絶縁信頼性が要求される用途、例えば電車用のインバータ等の用途に適用される。
搬送用キャリヤフィルムの面粗さを調整して、窒化珪素基板表裏の面粗さが同じになるようにしたこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。窒化珪素基板の表面粗さが面1、面2で同じ場合、絶縁性能が低下する。
窒化珪素基板の焼結温度を1900℃としたこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。さらに粒成長を進めて、基板粗さが本発明外となった場合の結果である。粒成長を進めた場合でも、ニッケル球を用いた場合には絶縁性能は優れているが、基板強度が低下し、金属板のろう付後に窒化珪素基板と配線回路間の熱膨張差に起因する窒化珪素基板のクラックにより、熱抵抗の初期値が高くなっていて、更にヒートサイクル試験後の熱抵抗低下も著しい。
窒化珪素基板のめっき前処理をパラジウム溶液で行ったこと以外は比較例2と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。本例のように基板面粗さが粗い場合にはパラジウム液が窒化珪素基板表面に残りやすく、絶縁性能が低下する。
窒化珪素基板の焼結温度を1775℃としたこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。粒成長を抑制して基板の面1の粗さRaを0.2μm未満とした。窒化珪素の焼結が不充分なため、熱伝導率が60W/mKと低く、熱抵抗の初期値が高い。
面粗さが小さい主面側(実施例では面1側)の沿面距離を基板厚みより小さくしたこと以外は実施例1と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。本条件では絶縁性能が低下する。
窒化珪素基板のめっき前処理をパラジウム溶液で行ったこと以外は比較例5と同様にして窒化珪素回路基板を作製した。本条件では絶縁性能が更に低下する。
2 半導体モジュール
11 窒化珪素基板
12 ろう材
13、16 回路パターン
14 無電解めっき層
15 半導体素子
17 はんだ層
21 窒化珪素基板の厚み
23 表側回路パターン側沿面
24 裏側回路パターン側沿面
25 基板側面
Claims (6)
- 窒化珪素質焼結体からなる窒化珪素基板の表面に金属からなる回路パターンがろう材により接合されるとともに、前記回路パターンの表面にニッケルめっき層が形成されて構成された窒化珪素回路基板であって、
回路パターンが形成された窒化珪素基板の主たる二表面の面粗さが異なり、
面粗さの小さい主たる面は、表面粗さRaが0.2μm以上且つ1.0μm以下であり、表面粗さRmaxが4.8〜14.1μmであり、その面の沿面距離が基板厚みよりも大きく、
且つ前記窒化珪素基板の厚みが0.2〜1.0mmであることを特徴とする窒化珪素回路基板。 - 窒化珪素回路基板表裏の回路パターン間に5kV−60Hzの交流電圧を印加した際のリーク電流値iが、60Hzの交流周波数印加時に窒化珪素回路基板表裏の回路パターン間で構成された回路をRC並列回路として算出されるインピーダンス値Zより求めた電流値ic=5kV/Zの2倍以下であることを特徴とする請求項1に記載の窒化珪素回路基板
- 窒化珪素粉末、焼結助剤となるセラミックス粉末、バインダー及び可塑剤を分散媒となる有機溶剤中で混合して作製したスラリーをシート成形後、脱脂、焼結した後、基板表面をブラスト処理する窒化珪素基板の製造方法において、
前記シート成形は、スラリー搬送用のキャリヤフィルムの表面粗さRaが0.1μm以下であり、
前記焼結は、温度が1850〜2000℃であり、
前記ブラスト処理後に、窒化珪素基板は主たる二表面の面粗さが異なり、厚さが0.2〜1.0mmであり、面粗さの小さい主たる面は、表面粗さRaが0.2μm以上且つ1.0μm以下であり、表面粗さRmaxが4.8〜14.1μmであることを特徴とする窒化珪素基板の製造方法。 - 前記シート成形の際に成形体のキャリヤフィルム側の面はキャリヤフィルムと全面で接していることを特徴とする請求項3に記載の窒化珪素基板の製造方法。
- 請求項3又は4に記載の窒化珪素基板の製造方法で作製した窒化珪素基板の表面に活性金属ろう材を用いて金属を接合する接合工程と、
面粗さの小さい主たる面の沿面距離が基板厚みよりも大きくなるように前記金属の所定箇所を除去して所定の回路パターンを形成する回路パターン形成工程と、
回路パターンの表面に活性触媒を付与するめっき面活性化処理工程と、
前記回路パターンの表面に無電解ニッケルめっきを施すめっき処理工程とを有することを特徴とする窒化珪素回路基板の製造方法。 - 前記めっき面活性化処理工程は回路パターンを形成した窒化珪素基板を活性触媒液に浸漬することによって行なわれる請求項5に記載の窒化珪素回路基板の製造方法。
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