JP6281663B2 - パワーモジュール用基板、パワーモジュール用回路基板およびパワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュール用基板、パワーモジュール用回路基板およびパワーモジュールに関する。

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）およびダイオード等の半導体素子、抵抗、ならびにコンデンサ等の電子部品を回路基板上に搭載して構成したパワーモジュールが知られている。
これらのパワーモジュールは、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パワーモジュールの使用が年々拡大している。
特に車載用電力制御装置について、その小型化、省スペ−ス化と共に電力制御装置をエンジンル−ム内に設置することが要望されている。エンジンル−ム内は温度が高く、温度変化が大きい等過酷な環境であり、放熱面積の大きな基板が必要とされる。このような用途に対して、より一層放熱性に優れる金属ベース回路基板が注目されている。

例えば、特許文献１には、半導体素子をリードフレーム等の支持体に搭載し、支持体と、ヒートシンクに接続される放熱板とを、絶縁樹脂層とで接着したパワーモジュールが開示されている。

特開２０１１−２１６６１９号公報

しかし、このようなパワーモジュールは高温での絶縁性が十分に満足するものでなかった。そのため、電子部品の絶縁性を保つことが困難となる場合があり、その場合はパワーモジュールの性能が低下してしまう。

本発明によれば、
金属基板と、上記金属基板上に設けられた絶縁樹脂層と、上記絶縁樹脂層上に設けられた金属層と、を備えるパワーモジュール用基板であって、
上記絶縁樹脂層は、熱硬化性樹脂と、上記熱硬化性樹脂中に分散された無機充填材とを含み、
周波数１ｋＨｚ、１００℃〜１７５℃における上記絶縁樹脂層の誘電損失率の最大値が０．０３０以下であり、かつ、比誘電率の変化が０．１０以下であるパワーモジュール用基板が提供される。

また、本発明によれば、
上記パワーモジュール用基板の上記金属層を回路加工してなるパワーモジュール用回路基板が提供される。

さらに、本発明によれば、
上記パワーモジュール用回路基板と、
上記パワーモジュール用回路基板上に設けられた電子部品と、
を備えるパワーモジュールが提供される。

本発明によれば、絶縁信頼性に優れたパワーモジュールを実現できるパワーモジュール用基板およびパワーモジュール用回路基板並びに絶縁信頼性に優れたパワーモジュールを提供できる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の断面図である。 本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。また、図は概略図であり、実際の寸法比率とは一致していない。また、数値範囲の「〜」は特に断りがなければ、以上から以下を表す。

［パワーモジュール用基板］
はじめに、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１００について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板１００の断面図である。
パワーモジュール用基板１００は、金属基板１０１と、金属基板１０１上に設けられた絶縁樹脂層１０２と、絶縁樹脂層１０２上に設けられた金属層１０３とを備える。

＜絶縁樹脂層＞
絶縁樹脂層１０２は、金属層１０３を金属基板１０１に接着するための層である。
絶縁樹脂層１０２は、熱硬化性樹脂（Ａ）と、熱硬化性樹脂（Ａ）中に分散された無機充填材（Ｂ）とを含む。
また、絶縁樹脂層１０２は、周波数１ｋＨｚ、１００℃〜１７５℃における誘電損失率の最大値が０．０３０以下、好ましくは０．０２５以下、特に好ましくは０．０１８以下であり、かつ、比誘電率の変化が０．１０以下、好ましくは０．０５以下である。比誘電率の変化は１７５℃における比誘電率の値から１００℃における比誘電率の値を引いた値である。上記誘電損失率の最大値の下限値は特に限定されないが、例えば、０．０１０以上である。上記比誘電率の変化の下限値は特に限定されないが、例えば、０．０１以上である。
なお、本実施形態において、絶縁樹脂層１０２は、熱硬化性樹脂（Ａ）と、無機充填材（Ｂ）とを含む熱硬化性樹脂組成物（Ｐ）を熱硬化させたものである。すなわち、絶縁樹脂層１０２は、熱硬化した熱硬化性樹脂（Ａ）を含んだＣステージ状態となっている。
ここで、周波数１ｋＨｚ、１００℃〜１７５℃における誘電損失率の最大値は、絶縁樹脂層１０２におけるβ緩和の指標を表している。すなわち、１００℃〜１７５℃における誘電損失率の最大値が低いほど、β緩和が小さいことを意味する。また、比誘電率の変化は、絶縁樹脂層１０２における絶縁性の温度依存性の指標を表している。すなわち、比誘電率の変化が小さいほど、温度変化による絶縁樹脂層１０２の絶縁性の変化が小さいことを意味する。
誘電損失率および比誘電率は、ＬＣＲメーターにより測定することができる。

絶縁樹脂層１０２は金属基板１０１と金属層１０３との間に設けられ、パワーモジュールにおいて、発熱体から放熱体への熱伝導を促進する。これにより、半導体チップ等における特性変動に起因した故障を抑え、パワーモジュールの安定性の向上が図られている。

本発明者の検討によれば、絶縁樹脂層１０２のガラス転移温度を高めることにより、パワーモジュール用基板１００の絶縁性をある程度向上できることが明らかになった。しかし、ガラス転移温度を高めるだけでは、高温において、まだまだ十分な絶縁性が得られなかった。
そこで、本発明者は、上記事情に鑑みて鋭意検討した結果、絶縁樹脂層１０２のβ緩和が小さいほど、パワーモジュール用基板１００の高温での絶縁性がより一層向上することを見出した。この理由としては、β緩和が低いほど、高温において絶縁樹脂層１０２中の導電性成分の運動開放が抑制されるからだと考えられる。
導電性成分の運動開放が抑制されると、温度上昇により絶縁樹脂層１０２の絶縁性が低下することを抑制できる。そのため、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１００は、高温での絶縁性に優れ、絶縁信頼性の高いパワーモジュールを実現できる。

絶縁樹脂層１０２の１００℃〜１７５℃における誘電損失率、比誘電率の変化は、絶縁樹脂層１０２を構成する各成分の種類や配合割合、および絶縁樹脂層１０２の作製方法を適切に調節することにより制御することが可能である。
本実施形態においては、とくに熱硬化性樹脂（Ａ）の種類を適切に選択することや、熱硬化性樹脂（Ａ）および無機充填材（Ｂ）を添加した樹脂ワニスに対しエージングを行うこと、当該エージングにおける加熱条件等が、上記誘電損失率、比誘電率の変化を制御するための因子として挙げられる。

パワーモジュール用基板１００において、下記条件で得られた抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより測定される絶縁樹脂層１０２中のイオンの総量が、好ましくは３０，０００ｐｐｍ以下であり、より好ましくは２０，０００ｐｐｍ以下である。
ここで、上記イオンは、Ｌｉ^＋、Ｎａ^＋、ＮＨ^４＋、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋、Ｆ⁻、Ｃｌ⁻、ＮＯ_２ ^２−、Ｂｒ⁻、ＮＯ_３ ⁻、ＰＯ_４ ^３−、ＳＯ_４ ^２−、（ＣＯＯ）_２ ^２−、ＣＨ_３ＣＯＯ⁻、およびＨＣＯＯ⁻から選択される一種または二種以上である。
（条件）
凍結粉砕させた絶縁樹脂層（１０２）２ｇに対して４０ｍＬの純水を加え、１２５℃２０時間熱水抽出し、抽出水を得る。

上記イオンの総量が上記上限値以下であることにより、高温での絶縁樹脂層１０２の絶縁性をより一層向上させることができる。絶縁樹脂層１０２を構成する各成分中のイオン性不純物の量を調整することや、加水分解してイオンを生成する無機充填材（Ｂ）を含有する場合は、表面積の小さい無機充填材（Ｂ）を選択することで絶縁樹脂層１０２中の上記イオンの総量を調整することができる。

パワーモジュール用基板１００において、昇温速度５℃／ｍｉｎ、周波数１Ｈｚの条件で動的粘弾性測定により測定される、絶縁樹脂層１０２のガラス転移温度が好ましくは１７５℃以上であり、より好ましくは１９０℃以上である。上記ガラス転移温度の上限値は特に限定されないが、例えば、３００℃以下である。
ここで、絶縁樹脂層１０２のガラス転移温度（Ｔｇ）は、金属基板１０１と金属層１０３を取り除いた後、ＤＭＡ（動的粘弾性測定）により昇温速度５℃／ｍｉｎ、周波数１Ｈｚの条件で測定する。
ガラス転移温度が上記下限値以上であると、導電性成分の運動開放をより一層抑制できるため、温度上昇による絶縁樹脂層１０２の絶縁性の低下をより一層抑制できる。その結果、より一層絶縁信頼性に優れたパワーモジュールを実現できる。
ガラス転移温度は絶縁樹脂層１０２を構成する各成分の種類や配合割合、および絶縁樹脂層１０２の作製方法を適切に調節することにより制御することができる。

絶縁樹脂層１０２は、ＪＩＳ Ｋ６９１１に準拠し、印加電圧１０００Ｖで電圧印加後１分後に測定される、１７５℃での体積抵抗率が好ましくは１．０×１０^８Ω・ｍ以上であり、より好ましくは１．０×１０^９Ω・ｍ以上であり、特に好ましくは１．０×１０^１０Ω・ｍ以上である。１７５℃での体積抵抗率の上限値は特に限定されないが、例えば、１．０×１０^１３Ω・ｍ以下である。
ここで、１７５℃での体積抵抗率は、絶縁樹脂層１０２における高温での絶縁性の指標を表している。すなわち、１７５℃での体積抵抗率が高いほど、高温での絶縁性が優れることを意味する。
絶縁樹脂層１０２の１７５℃での体積抵抗率は、絶縁樹脂層１０２を構成する各成分の種類や配合割合、および絶縁樹脂層１０２の作製方法を適切に調節することにより制御することが可能である。
本実施形態においては、とくに熱硬化性樹脂（Ａ）の種類を適切に選択することや、熱硬化性樹脂（Ａ）および無機充填材（Ｂ）を添加した樹脂ワニスに対しエージングを行うこと、当該エージングにおける加熱条件等が、１７５℃での体積抵抗率を制御するための因子として挙げられる。

絶縁樹脂層１０２の厚みは目的に合わせて適宜設定されるが、機械的強度や耐熱性の向上を図りつつ、電子部品からの熱をより効果的に金属基板１０１へ伝えることができる観点から、絶縁樹脂層１０２の厚さは４０μｍ以上４００μｍ以下が好ましく、パワーモジュール用基板１００全体における放熱性と絶縁性のバランスがより一層優れる観点から、絶縁樹脂層１０２の厚みを１００μｍ以上３００μｍ以下に設定することがより好ましい。
絶縁樹脂層１０２の厚みを上記上限値以下とすることで、電子部品からの熱を金属基板１０１に伝達させやすくすることができる。
また、絶縁樹脂層１０２の厚みを上記下限値以上とすることで、金属基板１０１と絶縁樹脂層１０２との熱膨張率差による熱応力の発生を絶縁樹脂層１０２で緩和することが十分にできる。さらに、パワーモジュール用基板１００の絶縁性が向上する。

絶縁樹脂層１０２は、熱硬化性樹脂（Ａ）と、熱硬化性樹脂（Ａ）中に分散された無機充填材（Ｂ）とを含む。

（熱硬化性樹脂（Ａ））
熱硬化性樹脂（Ａ）としては、ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、アダマンタン骨格を有するエポキシ樹脂、フェノールアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂、ナフタレンアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂、シアネート樹脂等が挙げられる。
熱硬化性樹脂（Ａ）として、これらの中の１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。
このような熱硬化性樹脂（Ａ）を使用することで、絶縁樹脂層１０２のガラス転移温度を高くするとともに、周波数１ｋＨｚ、１００℃〜１７５℃における誘電損失率および比誘電率の変化を低下させることができる。
熱硬化性樹脂（Ａ）の中でも、誘電損失率をより一層低下させる観点から、ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂が特に好ましい。

絶縁樹脂層１０２中に含まれる熱硬化性樹脂（Ａ）の含有量は、絶縁樹脂層（１０２）１００質量％に対し、１質量％以上３０質量％以下が好ましく、５質量％以上２８質量％以下がより好ましい。熱硬化性樹脂（Ａ）の含有量が上記下限値以上であると、ハンドリング性が向上し、絶縁樹脂層１０２を形成するのが容易となる。熱硬化性樹脂（Ａ）の含有量が上記上限値以下であると、絶縁樹脂層１０２の強度や難燃性がより一層向上したり、絶縁樹脂層１０２の熱伝導性がより一層向上したりする。

（無機充填材（Ｂ））
無機充填材（Ｂ）としては、例えば、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素等が挙げられる。これらは１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。
無機充填材（Ｂ）としては、絶縁樹脂層１０２の熱伝導性をより一層向上させる観点から、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を凝集させることにより形成される二次凝集粒子であることが好ましい。

鱗片状窒化ホウ素を凝集させることにより形成される二次凝集粒子は、例えば、鱗片状窒化ホウ素を、スプレードライ法等を用いて凝集させたあと、これを焼成することにより形成することができる。焼成温度は、例えば、１２００〜２５００℃である。
このように、鱗片状窒化ホウ素を焼結させて得られる二次凝集粒子を用いる場合には、熱硬化性樹脂（Ａ）中における無機充填材（Ｂ）の分散性を向上させる観点から、熱硬化性樹脂（Ａ）としてジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂がとくに好ましい。

鱗片状窒化ホウ素を凝集させることにより形成される二次凝集粒子の平均粒径は、例えば、５μｍ以上１８０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。これにより、熱伝導性と絶縁性のバランスにより一層優れた絶縁樹脂層１０２を実現することができる。

上記二次凝集粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の平均長径は、好ましくは０．０１μｍ以上２０μｍ以下であり、より好ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下である。これにより、熱伝導性と絶縁性のバランスにより一層優れた絶縁樹脂層１０２を実現することができる。
なお、この平均長径は電子顕微鏡写真により測定することができる。例えば、以下の手順で測定する。まず、二次凝集粒子をミクロトーム等で切断しサンプルを作製する。次いで、走査型電子顕微鏡により、数千倍に拡大した二次凝集粒子の断面写真を数枚撮影する。次いで、任意の二次凝集粒子を選択し、写真から鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の長径を測定する。このとき、１０個以上の一次粒子について長径を測定し、それらの平均値を平均長径とする。

絶縁樹脂層１０２中に含まれる無機充填材（Ｂ）の含有量は、絶縁樹脂層（１０２）１００質量％に対し、５０質量％以上９５質量％以下であることが好ましく、５５質量％以上８８質量％以下であることがより好ましく、６０質量％以上８０質量％以下であることが特に好ましい。
無機充填材（Ｂ）の含有量を上記下限値以上とすることにより、絶縁樹脂層１０２における熱伝導性や機械的強度の向上をより効果的に図ることができる。一方で、無機充填材（Ｂ）の含有量を上記上限値以下とすることにより、熱硬化性樹脂組成物（Ｐ）の成膜性や作業性を向上させ、絶縁樹脂層１０２の膜厚の均一性をより一層良好なものとすることができる。

本実施形態に係る無機充填材（Ｂ）は、絶縁樹脂層１０２の熱伝導性をより一層向上させる観点から、上記二次凝集粒子に加えて、二次凝集粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素の一次粒子とは別の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子をさらに含むのが好ましい。この鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の平均長径は、好ましくは０．０１μｍ以上２０μｍ以下であり、より好ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下である。
これにより、熱伝導性と絶縁性のバランスにより一層優れた絶縁樹脂層１０２を実現することができる。

（硬化剤（Ｃ））
絶縁樹脂層１０２は、熱硬化性樹脂（Ａ）としてエポキシ樹脂を用いる場合、さらに硬化剤（Ｃ）を含むのが好ましい。
硬化剤（Ｃ）としては、硬化触媒（Ｃ−１）およびフェノール系硬化剤（Ｃ−２）から選択される１種以上を用いることができる。
硬化触媒（Ｃ−１）としては、例えば、ナフテン酸亜鉛、ナフテン酸コバルト、オクチル酸スズ、オクチル酸コバルト、ビスアセチルアセトナートコバルト（ＩＩ）、トリスアセチルアセトナートコバルト（ＩＩＩ）等の有機金属塩；トリエチルアミン、トリブチルアミン、１，４−ジアザビシクロ［２．２．２］オクタン等の３級アミン類；２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２，４−ジエチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシイミダゾール、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール等のイミダゾール類；トリフェニルホスフィン、トリ−ｐ−トリルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィン・トリフェニルボラン、１，２−ビス−（ジフェニルホスフィノ）エタン等の有機リン化合物；フェノール、ビスフェノールＡ、ノニルフェノール等のフェノール化合物；酢酸、安息香酸、サリチル酸、ｐ−トルエンスルホン酸等の有機酸；等、またはこの混合物が挙げられる。硬化触媒（Ｃ−１）として、これらの中の誘導体も含めて１種類を単独で用いることもできるし、これらの誘導体も含めて２種類以上を併用したりすることもできる。
絶縁樹脂層１０２中に含まれる硬化触媒（Ｃ−１）の含有量は、特に限定されないが、絶縁樹脂層（１０２）１００質量％に対し、０．００１質量％以上１質量％以下が好ましい。

また、フェノール系硬化剤（Ｃ−２）としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、アミノトリアジンノボラック樹脂、ノボラック樹脂、トリスフェニルメタン型のフェノールノボラック樹脂等のノボラック型フェノール樹脂；テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等の変性フェノール樹脂；フェニレン骨格及び／又はビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂、フェニレン骨格及び／又はビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル樹脂等のアラルキル型樹脂；ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ等のビスフェノール化合物；レゾール型フェノール樹脂等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。
これらの中でも、ガラス転移温度の向上及び線膨張係数の低減の観点から、フェノール系硬化剤（Ｃ−２）がノボラック型フェノール樹脂またはレゾール型フェノール樹脂であることが好ましい。
フェノール系硬化剤（Ｃ−２）の含有量は、特に限定されないが、絶縁樹脂層（１０２）１００質量％に対し、１質量％以上３０質量％以下が好ましく、５質量％以上２０質量％以下がより好ましい。

（カップリング剤（Ｄ））
さらに、絶縁樹脂層１０２は、カップリング剤（Ｄ）を含んでもよい。
カップリング剤（Ｄ）は、熱硬化性樹脂（Ａ）と無機充填材（Ｂ）との界面の濡れ性を向上させることができる。

カップリング剤（Ｄ）としては、通常用いられるものなら何でも使用できるが、具体的にはエポキシシランカップリング剤、カチオニックシランカップリング剤、アミノシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤およびシリコーンオイル型カップリング剤の中から選ばれる１種以上のカップリング剤を使用することが好ましい。
カップリング剤（Ｄ）の添加量は無機充填材（Ｂ）の比表面積に依存するので、特に限定されないが、無機充填材（Ｂ）１００質量部に対して０．１質量部以上１０質量部以下が好ましく、特に０．５質量部以上７質量部以下が好ましい。

（フェノキシ樹脂（Ｅ））
絶縁樹脂層１０２は、さらにフェノキシ樹脂（Ｅ）を含んでもよい。フェノキシ樹脂（Ｅ）を含むことによりパワーモジュール用基板１００の耐屈曲性をより一層向上できる。
また、フェノキシ樹脂（Ｅ）を含むことにより、絶縁樹脂層１０２の弾性率を低下させることが可能となり、パワーモジュール用基板１００の応力緩和力を向上させることができる。
また、フェノキシ樹脂（Ｅ）を含むと、粘度上昇により流動性が低減し、ボイド等が発生することを抑制できる。また、絶縁樹脂層１０２と金属基板１０１や金属層１０３との密着性を向上できる。これらの相乗効果により、パワーモジュールの絶縁信頼性をより一層高めることができる。

フェノキシ樹脂（Ｅ）としては、例えば、ビスフェノール骨格を有するフェノキシ樹脂、ナフタレン骨格を有するフェノキシ樹脂、アントラセン骨格を有するフェノキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するフェノキシ樹脂等が挙げられる。また、これらの骨格を複数種有した構造のフェノキシ樹脂を用いることもできる。

フェノキシ樹脂（Ｅ）の含有量は、例えば、絶縁樹脂層（１０２）１００質量％に対し、３質量％以上１０質量％以下である。

（その他の成分）
絶縁樹脂層１０２には、本発明の効果を損なわない範囲で、酸化防止剤、レベリング剤等を含むことができる。

絶縁樹脂層１０２は、例えば、次のようにして作製することができる。
まず、上述の各成分を溶媒へ添加して、ワニス状の熱硬化性樹脂組成物（Ｐ）を得る。本実施形態においては、例えば、溶媒中に熱硬化性樹脂（Ａ）等を添加して樹脂ワニスを作製したのち、当該樹脂ワニスへ無機充填材（Ｂ）を入れて三本ロール等を用いて混練することにより熱硬化性樹脂組成物（Ｐ）を得ることができる。これにより、無機充填材（Ｂ）をより均一に、熱硬化性樹脂（Ａ）中へ分散させることができる。
上記溶媒としては特に限定されないが、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、シクロヘキサノン等が挙げられる。

次いで、熱硬化性樹脂組成物（Ｐ）に対しエージングを行う。これにより、得られる絶縁樹脂層１０２について、周波数１ｋＨｚ、１００℃〜１７５℃における誘電損失率および比誘電率の変化を低下させることができる。これは、エージングによって無機充填材（Ｂ）の熱硬化性樹脂（Ａ）に対する親和性が上昇すること等が要因として推定される。エージングは、例えば、３０〜８０℃、１２〜２４時間の条件により行うことができる。

次いで、熱硬化性樹脂組成物（Ｐ）をシート状に成形して、絶縁樹脂層１０２を形成する。本実施形態においては、例えば、基材上にワニス状の熱硬化性樹脂組成物（Ｐ）を塗布した後、これを熱処理して乾燥することにより絶縁樹脂層１０２を得ることができる。基材としては、例えば、金属基板１０１や金属層１０３、剥離可能なキャリア材料等を構成する金属箔が挙げられる。また、熱硬化性樹脂組成物（Ｐ）を乾燥するための熱処理は、例えば、８０〜１５０℃、５分〜１時間の条件において行われる。

＜金属基板＞
金属基板１０１はパワーモジュール用基板１００に蓄積された熱を放熱する役割を有する。金属基板１０１は、放熱性の金属基板であれば特に限定されないが、例えば、銅基板、銅合金基板、アルミニウム基板、アルミニウム合金基板であり、銅基板またはアルミニウム基板が好ましく、銅基板がより好ましい。銅基板またはアルミニウム基板を用いることで、金属基板１０１の放熱性を良好なものとすることができる。

金属基板１０１の厚さは、本発明の目的が損なわれない限り、適宜設定できる。
金属基板１０１の厚さの上限値は、例えば、２０．０ｍｍ以下であり、好ましくは５．０ｍｍ以下である。この数値以下の厚さの金属基板１０１を用いることで、パワーモジュール用基板１００全体としての薄型化を行うことができる。また、パワーモジュール用基板１００の外形加工や切り出し加工等における加工性を向上させることができる。
また、金属基板１０１の厚さの下限値は、例えば、０．１ｍｍ以上であり、好ましくは１．０ｍｍ以上であり、さらに好ましくは２．０ｍｍ以上である。この数値以上の金属基板１０１を用いることで、パワーモジュール用基板１００全体としての放熱性を向上させることができる。

＜金属層＞
金属層１０３は絶縁樹脂層１０２上に設けられ、回路加工されるものである。
この金属層１０３を構成する金属としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、鉄、錫等から選択される一種または二種以上が挙げられる。これらの中でも、金属層１０３を構成する金属としては、好ましくは銅またはアルミニウムであり、特に好ましくは銅である。銅またはアルミニウムを用いることで、金属層１０３の回路加工性を良好なものとすることができる。

金属層１０３の厚みの下限値は、例えば、０．０１ｍｍ以上であり、好ましくは０．１０ｍｍ以上、さらに好ましくは０．２５ｍｍ以上である。このような数値以上であれば、高電流を要する用途であっても、回路パターンの発熱を抑えることができる。
また、金属層１０３の厚みの上限値は、例えば、２．０ｍｍ以下であり、好ましくは１．５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは１．０ｍｍ以下である。このような数値以下であれば、回路加工性を向上させることができ、また、基板全体としての薄型化を図ることができる。

金属層１０３は、板状で入手できる金属箔を用いてもよいし、ロール状で入手できる金属箔を用いてもよい。

＜パワーモジュール用基板の製造方法＞
以上のようなパワーモジュール用基板１００は、例えば、以下のようにして製造することができる。

まず、キャリア材料上にワニス状の熱硬化性樹脂組成物（Ｐ）を塗布した後、これを熱処理して乾燥することにより樹脂層を形成し、樹脂層付きキャリア材料を得る。
キャリア材料は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルム；銅箔等の金属箔等である。キャリア材料の厚みは、例えば、１０〜５００μｍである。

次いで、樹脂層付きキャリア材料の樹脂層側の面が金属基板１０１の表面に接するように樹脂層付きキャリア材料を金属基板１０１に積層する。その後、プレス等を用い加圧・加熱させて樹脂層をＢステージ状態で接着する。

次いで、Ｂステージ状態の樹脂層からキャリア材料を除去し、露わになった樹脂層の表面に金属層１０３を形成し、積層体を得る。
なお、キャリア材料として金属箔を用いる場合は、このキャリア材料をそのまま金属層１０３とすることができる。すなわち、この場合にあっては、樹脂層付き金属層１０３を得た後、樹脂層付き金属層１０３を金属基板１０１に積層することにより、目的とする積層体が得られる。

次いで、プレス等を用い積層体を加圧・加熱することにより、樹脂層を加熱硬化させて絶縁樹脂層１０２を形成し、パワーモジュール用基板１００が得られる。

なお、上記では金属基板１０１に樹脂層付きキャリア材料を積層する製造方法を述べたが、本実施形態においては、金属層１０３に樹脂層付きキャリア材料を積層し、キャリア材料を除去した後に、金属基板１０１と接合することもできる。
また、キャリア材料として金属箔を用い、当該金属箔をそのまま金属層１０３とする場合、金属層１０３はロールから押し出された金属箔、好ましくはロールから押し出された銅箔またはアルミニウム箔とすることができる。
このようにすることで、生産効率の向上を図ることができる。

［パワーモジュール用回路基板］
得られたパワーモジュール用基板１００について、金属層１０３を所定のパターンにエッチング等することによって回路加工し、パワーモジュール用回路基板を得ることができる。
また、最外層にソルダーレジスト１０（図２参照）を形成し、露光・現像により電子部品が実装できるよう接続用電極部を露出してもよい。

［パワーモジュール］
次に、本実施形態に係るパワーモジュール１１について説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール１１の断面図である。
本実施形態のパワーモジュール用回路基板上に電子部品を設けることによりパワーモジュール１１を得ることができる。
本実施形態において、パワーモジュール１１は半導体装置であり、例えば、パワー半導体装置、ＬＥＤ照明、インバーター装置である。
ここで、インバーター装置とは、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）、トライアック等の電子部品が搭載されたものが挙げられる。
電子部品は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ダイオード、ＩＣチップ等の半導体素子、抵抗、コンデンサ等の各種発熱素子である。パワーモジュール用基板１００はヒートスプレッターとして機能する。

ここで、パワーモジュール１１の一例について、図２に示しながら説明する。
本実施形態のパワーモジュール１１において、パワーモジュール用回路基板の金属層１０３ａ上に、接着層３を介してＩＣチップ２が搭載されている。ＩＣチップ２はボンディングワイヤー７を介して金属層１０３ｂに導通されている。
また、ＩＣチップ２、ボンディングワイヤー７、金属層１０３ａ、１０３ｂは封止材６により封止されている。

また、パワーモジュール１１においては、チップコンデンサ８およびチップ抵抗９が金属層１０３上に搭載されている。これらのチップコンデンサ８およびチップ抵抗９は従来から公知のものを使用することができる。

また、パワーモジュール１１の金属基板１０１は熱伝導グリス４を介して、放熱フィン５に接続されている。すなわち、ＩＣチップ２の発した熱を、接着層３、金属層１０３ａ、絶縁樹脂層１０２、金属基板１０１、熱伝導グリス４を介して、放熱フィン５へと伝導させ、除熱を行うことができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

以下、本発明を実施例および比較例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例では、部はとくに特定しない限り質量部を表す。また、それぞれの厚みは平均膜厚で表わされている。

（凝集窒化ホウ素の作製）
ホウ酸メラミンと鱗片状窒化ホウ素粉末（平均長径：１５μｍ）を混合して得られた混合物を、ポリアクリル酸アンモニウム水溶液へ添加し、２時間混合して噴霧用スラリーを調製した。次いで、このスラリーを噴霧造粒機に供給し、アトマイザーの回転数１５０００ｒｐｍ、温度２００℃、スラリー供給量５ｍｌ／ｍｉｎの条件で噴霧することにより、複合粒子を作製した。次いで、得られた複合粒子を、窒素雰囲気下、２０００℃の条件で焼成することにより、平均粒径が８０μｍの凝集窒化ホウ素を得た。
ここで、凝集窒化ホウ素の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（ＨＯＲＩＢＡ社製、ＬＡ−５００）により、粒子の粒度分布を体積基準で測定し、そのメディアン径（Ｄ_５０）とした。

（パワーモジュール用基板の作製）
実施例１〜７および比較例１〜２について、以下のようにパワーモジュール用基板を作製した。
まず、表１に示す配合に従い、熱硬化性樹脂と、硬化剤とを溶媒であるメチルエチルケトンに添加し、これを撹拌して熱硬化性樹脂組成物の溶液を得た。次いで、この溶液に無機充填材を入れて予備混合した後、三本ロールにて混練し、無機充填材を均一に分散させたワニス状の熱硬化性樹脂組成物を得た。次いで、得られた熱硬化性樹脂組成物に対し、６０℃、１５時間の条件によりエージングを行った。次いで、熱硬化性樹脂組成物を、銅箔（厚さ０．０７ｍｍ、古河電気工業株式会社製、ＧＴＳ−ＭＰ箔）上にドクターブレード法を用いて塗布した後、これを１００℃、３０分間の熱処理により乾燥して樹脂層付き銅箔を作製した。
次いで、得られた樹脂層付き銅箔と、３．０ｍｍ厚の銅板（タフピッチ銅）を張り合わせ、真空プレスで、プレス圧１００ｋｇ／ｃｍ^２で１８０℃４０分の条件下でプレスし、パワーモジュール用基板（絶縁樹脂層１０２の厚さ：２００μｍ）を得た。
なお、表１中における各成分の詳細は下記のとおりである。

比較例３については、熱硬化性樹脂組成物に対してエージングを行わなかった点を除き、実施例１と同様にしてパワーモジュール用基板を作製した。
なお、表１中における各成分の詳細は下記のとおりである。

（熱硬化性樹脂（Ａ））
エポキシ樹脂１：ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂（ＸＤ−１０００、日本化薬社製）
エポキシ樹脂２：ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂（ＹＸ−４０００、三菱化学社製）
エポキシ樹脂３：アダマンタン骨格を有するエポキシ樹脂（Ｅ２０１、出光興産社製）
エポキシ樹脂４：フェノールアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂（ＮＣ−２０００−Ｌ、日本化薬社製）
エポキシ樹脂５：ビフェニルアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂（ＮＣ−３０００、日本化薬社製）
エポキシ樹脂６：ナフタレンアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂（ＮＣ−７０００、日本化薬社製）
エポキシ樹脂７：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（８３０Ｓ、大日本インキ社製）
エポキシ樹脂８：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（８２８、三菱化学社製）
シアネート樹脂１：フェノールノボラック型シアネート樹脂（ＰＴ−３０、ロンザジャパン社製）

（硬化触媒Ｃ−１）
硬化触媒１：２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール（２ＰＨＺ−ＰＷ、四国化成社製）
硬化触媒２：トリフェニルホスフィン（北興化学社製）
（硬化剤Ｃ−２）
フェノール系硬化剤１：トリスフェニルメタン型のフェノールノボラック樹脂（ＭＥＨ−７５００、明和化成社製）

（無機充填材（Ｂ））
充填材１：上記作製例により作製された凝集窒化ホウ素

（誘電損失率および比誘電率の変化の測定）
絶縁樹脂層の誘電損失率および比誘電率の変化を次のように測定した。まず、得られたパワーモジュール用基板から金属板と金属層を剥離して絶縁樹脂層を得た。
得られた絶縁樹脂層に、導電性ペーストを用いてφ１８ｍｍの主電極を形成した。また、φ２６ｍｍのガード電極を、主電極とガード電極間が１ｍｍとなるように形成した。さらに、主電極とは反対側の面にφ２６ｍｍの対電極を形成した。試験装置としてはアジレント・テクノロジー製のｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＣＲ ｍｅｔｅｒ ＨＰ−４２８４Ａを用いた。実効電圧は１Ｖであり、周波数を１ｋＨzに固定し、３０℃〜２００℃の範囲で誘電損失率と比誘電率をそれぞれ測定し、１００℃〜１７５℃における誘電損失率の最大値および比誘電率の変化を算出した。

（Ｔｇ（ガラス転移温度）の測定）
絶縁樹脂層のガラス転移温度を次のように測定した。まず、得られたパワーモジュール用基板から金属板と金属層を剥離して絶縁樹脂層を得た。
次いで、得られた絶縁樹脂層のガラス転移温度（Ｔｇ）を、ＤＭＡ（動的粘弾性測定）により昇温速度５℃／ｍｉｎ、周波数１Ｈｚの条件で測定した。

（イオンの総量の測定）
絶縁樹脂層中のイオンの総量を次のように測定した。まず、得られたパワーモジュール用基板から金属板と金属層を剥離して絶縁樹脂層を得た。次いで、得られた絶縁樹脂層を凍結粉砕させた。凍結粉砕させた絶縁樹脂層２ｇに対して４０ｍＬの純水を加え、１２５℃２０時間熱水抽出し、抽出水を得た。
この抽出水について、ダイオネクスＩＣＳ−３０００型、ＩＣＳ−２０００型、ＤＸ−３２０型イオンクロマトグラフ装置を用いてＬｉ^＋、Ｎａ^＋、ＮＨ^４＋、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋、Ｆ⁻、Ｃｌ⁻、ＮＯ_２ ^２−、Ｂｒ⁻、ＮＯ_３ ⁻、ＰＯ_４ ^３−、ＳＯ_４ ^２−、（ＣＯＯ）_２ ^２−、ＣＨ_３ＣＯＯ⁻、およびＨＣＯＯ⁻から選択される一種または二種以上のイオンの総量を測定した。
ここで、イオンクロマトグラフ装置に検液及び標準溶液を導入し、検量線法により各イオン濃度を求め、試料からの溶出イオン量を算出した。

（２５℃および１７５℃における体積抵抗率の測定）
絶縁樹脂層の体積抵抗率を次のように測定した。まず、得られたパワーモジュール用基板から金属板と金属層を剥離して絶縁樹脂層を得た。次いで、ＪＩＳ Ｋ６９１１に準拠し、得られた絶縁樹脂層の体積抵抗率を、ＵＬＴＲＡ ＨＩＧＨ ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥ ＭＥＴＥＲ Ｒ８３４０Ａ（エーディーシー社製）を用いて、印加電圧１０００Ｖで電圧印加後、１分後に測定した。
なお、主電極は導電性ペーストを用いてφ２５．４ｍｍの円形状に作製した。またこのときガード電極は作成していない。さらに、主電極とは反対側の面にφ２６ｍｍの対電極を形成した。

（絶縁信頼性評価）
実施例１〜７および比較例１〜３のそれぞれについて、パワーモジュールの絶縁信頼性を次のように評価した。まず、パワーモジュール用基板を用いて図２に示すパワーモジュールを作製した。ＩＣチップとしてはＩＧＢＴチップを用いた。ボンディングワイヤーとしては、Ｃｕ製のものを用いた。次いで、このパワーモジュールを用いて、温度８５℃、湿度８５％、交流印加電圧１．５ｋＶの条件で連続湿中絶縁抵抗を評価した。なお、抵抗値１０^６Ω以下を故障とした。評価基準は以下の通りである。
◎◎：３００時間以上故障なし
◎ ：２００時間以上３００時間未満で故障あり
○ ：１５０時間以上２００時間未満で故障あり
△ ：１００時間以上１５０時間未満で故障あり
× ：１００時間未満で故障あり

１００℃〜１７５℃における誘電損失率の最大値および比誘電率の変化が本発明の範囲内であるパワーモジュール用基板を用いた実施例１〜７のパワーモジュールは、絶縁信頼性に優れていた。
一方、１００℃〜１７５℃における誘電損失率の最大値および比誘電率の変化が本発明の範囲外であるパワーモジュール用基板を用いた比較例１〜３のパワーモジュールは、絶縁信頼性に劣っていた。

この出願は、２０１５年７月２３日に出願された日本出願特願２０１５−１４６０５１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (17)

1. 金属基板と、前記金属基板上に設けられた絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層上に設けられた金属層と、を備えるパワーモジュール用基板であって、
   前記絶縁樹脂層は、熱硬化性樹脂と、前記熱硬化性樹脂中に分散された無機充填材とを含み、
   周波数１ｋＨｚ、１００℃〜１７５℃における前記絶縁樹脂層の誘電損失率の最大値が０．０３０以下であり、かつ、比誘電率の変化が０．１０以下であるパワーモジュール用基板。
2. 請求項１に記載のパワーモジュール用基板において、
   前記誘電損失率の最大値が０．０２５以下であり、かつ、前記比誘電率の変化が０．０５以下であるパワーモジュール用基板。
3. 請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板において、
   下記条件で得られた抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより測定される、前記絶縁樹脂層中のイオンの総量が３０，０００ｐｐｍ以下であり、
   前記イオンがＬｉ^＋、Ｎａ^＋、ＮＨ^４＋、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋、Ｆ⁻、Ｃｌ⁻、ＮＯ_２ ^２−、Ｂｒ⁻、ＮＯ_３ ⁻、ＰＯ_４ ^３−、ＳＯ_４ ^２−、（ＣＯＯ）_２ ^２−、ＣＨ_３ＣＯＯ⁻、およびＨＣＯＯ⁻から選択される一種または二種以上であるパワーモジュール用基板。
   （条件）
   凍結粉砕させた前記絶縁樹脂層２ｇに対して４０ｍＬの純水を加え、１２５℃２０時間熱水抽出し、抽出水を得る
4. 請求項１乃至３いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板において、
   前記熱硬化性樹脂がジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、アダマンタン骨格を有するエポキシ樹脂、フェノールアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂、ナフタレンアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂、およびシアネート樹脂から選択される一種または二種以上であるパワーモジュール用基板。
5. 請求項１乃至４いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板において、
   昇温速度５℃／ｍｉｎ、周波数１Ｈｚの条件で動的粘弾性測定により測定される、前記絶縁樹脂層のガラス転移温度が１７５℃以上であるパワーモジュール用基板。
6. 請求項１乃至５いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板において、
   前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子により構成されている二次凝集粒子であるパワーモジュール用基板。
7. 請求項６に記載のパワーモジュール用基板において、
   前記二次凝集粒子の平均粒径が５μｍ以上１８０μｍ以下であるパワーモジュール用基板。
8. 請求項６または７に記載のパワーモジュール用基板において、
   前記二次凝集粒子を構成する前記一次粒子の平均長径が０．０１μｍ以上２０μｍ以下であるパワーモジュール用基板。
9. 請求項１乃至８いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板において、
   前記無機充填材の含有量が、前記絶縁樹脂層１００質量％に対し、５０質量％以上９５質量％以下であるパワーモジュール用基板。
10. 請求項１乃至９いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板において、
    ＪＩＳ Ｋ６９１１に準拠し、印加電圧１０００Ｖで電圧印加後１分後に測定される、１７５℃での前記絶縁樹脂層の体積抵抗率が１．０×１０^８Ω・ｍ以上であるパワーモジュール用基板。
11. 請求項１０に記載のパワーモジュール用基板において、
    前記体積抵抗率が１．０×１０^９Ω・ｍ以上であるパワーモジュール用基板。
12. 請求項１乃至１１いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板において、
    前記金属層の厚みが０．２５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であるパワーモジュール用基板。
13. 請求項１乃至１２いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板において、
    前記金属層を構成する金属が銅を含むパワーモジュール用基板。
14. 請求項１乃至１３いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板において、
    前記金属基板の厚みが２．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であるパワーモジュール用基板。
15. 請求項１乃至１４いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板において、
    前記金属基板が銅基板であるパワーモジュール用基板。
16. 請求項１乃至１５いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の前記金属層を回路加工してなるパワーモジュール用回路基板。
17. 請求項１６に記載のパワーモジュール用回路基板と、
    前記パワーモジュール用回路基板上に設けられた電子部品と、
    を備えるパワーモジュール。

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