JP6995743B2 - セラミック回路基板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)金属回路とセラミック基板が接合されてなるセラミック回路基板において、金属回路の主面上と、金属回路の外周部および/または金属回路間とに絶縁樹脂が塗布されていることを特徴とするパワーモジュール用セラミック回路基板。
(2)上記セラミック基板が、窒化アルミニウム、窒化珪素またはアルミナ基板であり、上記金属回路が、銅及びアルミニウムから選ばれた1種以上の金属から構成されており、且つ上記絶縁樹脂がエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂及びシリコーン樹脂から選ばれた1種以上を含有する樹脂を用いることを特徴とする(1)のパワーモジュール用セラミック回路基板。
(3)(1)又は(2)に記載のパワーモジュール用セラミック回路基板の製造方法であって、絶縁樹脂を、金属回路の主面上と、金属回路の外周部および/または金属回路間とに同時に塗布することを特徴とするパワーモジュール用セラミック回路基板の製造方法。
(4)上記絶縁樹脂の塗布方法がインクジェット印刷法またはタンポ印刷法であることを特徴とする(3)のパワーモジュール用セラミック回路基板の製造方法。
本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用セラミック回路基板は、金属回路とセラミック基板が接合されてなるセラミック回路基板において、金属回路の主面上と、金属回路の外周部および/または金属回路間とに絶縁樹脂が塗布されていることを特徴とするパワーモジュールに用いるためのセラミック回路基板である。
絶縁樹脂を塗布する金属回路の外周部および/または金属回路間とは、金属回路とセラミック基板を接合するろう材部分またはろう材により接合されたセラミック基板主面、金属回路主面の外周端部を含むものである。
金属回路の材料としては、電気伝導性および熱伝導率の点から、銅、アルミニウム、銀、金等を使用することができるが、価格面およびその後の回路形成等の観点から銅又はアルミニウムが用いられる。本実施形態における金属回路では、銅またはアルミニウム、或いは銅とアルミニウムの2層クラッド材により構成された金属を用いることができる。
本実施形態における金属回路の板厚は特に限定されないが、0.10~1.5mmが好ましい。板厚0.10mm以上とすることで、パワーモジュール用の回路基板として用いる場合に、十分な導電性を確保することができ、金属回路部分の発熱等の問題が抑制され、板厚1.5mm以下とすることで、金属回路自体の熱抵抗が大きくなって回路基板の放熱特性が低下することが抑制される。
本実施形態において、セラミック基板としては、特に限定されるものではなく、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの窒化物系セラミック、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物系セラミック、炭化ケイ素等の炭化物系セラミック、ほう化ランタン等のほう化物系セラミック等を使用できる。パワーモジュールに用いる場合、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の非酸化物系セラミックや酸化アルミニウム等の酸化物型セラミックが好ましい。
セラミック基板の厚みは特に限定されないが、0.2mm以上とすることで耐久性が得られ、1.5mm以下とすることで熱抵抗が大きくなるのを抑制できるため、0.2~1.5mmが好ましい。
本実施形態における絶縁樹脂は、絶縁性を有する樹脂であれば特に限定されないが、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂から選ばれた少なくとも1種類以上を主成分とする樹脂であってもよい。
本実施形態において、半田流れやチップずれを防止することを目的とする絶縁樹脂(第一の絶縁樹脂)と、部分放電や絶縁性の低下を防止することを目的とする絶縁樹脂(第二の絶縁樹脂)とが、それぞれ金属回路の主面上と、金属回路の外周部および/または金属回路間とに塗布されている。
また、第一の絶縁樹脂と第二の絶縁樹脂は、同一の樹脂を主成分とするものであってもよく、異なる樹脂を主成分とするものであってもよい。
セラミック回路基板に塗布する絶縁樹脂の厚みは特に制約はないが、5~500μmの厚みで印刷することが好ましい。
セラミック基板上に金属回路および金属板を接合する方法は、ろう材を利用する活性金属法などや直接セラミック基板上に金属回路板や金属板を配置して不活性雰囲気下で加熱する直接接合法がある。例えば、銅板とセラミック基板を接合する場合、無酸素銅板の表面を酸化処理したものやタフピッチ銅板をアルミナなどの酸化物系セラミック基板上に配置して不活性ガス中で加熱すると、銅板とセラミック基板が直接接合することが知られている。本実施形態では、どちらの場合でも同様の効果が得られる。
また、金属回路板の所定の回路パターンを形成する方法として、金属板を接合した後にその金属板の表面に回路形状のレジストを形成してエッチングによりパターンニングを行う方法、予め回路形状の金属板をプレスやエッチングにより形成した後にセラミック基板に接合する方法などがある。パターンを形成した後に必要に応じて金属板にNiめっきやNi合金めっき、金めっき、銀めっき、防錆処理を施してもよい。
本発明の一実施形態のパワーモジュール用セラミック回路基板の製造方法は、金属回路とセラミック基板が接合されてなるセラミック回路基板において、絶縁樹脂を、金属回路の主面上と、金属回路の外周部または金属回路間とに同時に塗布することを特徴とする。ここでの同時に塗布するとは、金属回路の主面上への塗布と金属回路の外周部または金属回路間への塗布を一連の工程の中で連続的または同時に行うことを意味する。
本実施形態のセラミック回路基板の製造方法において、絶縁樹脂は、ずれ量が0.4mm以下、好ましくは0.25mm以下、より好ましくは0.2mm以下の印刷精度でセラミック回路基板に塗布される。
本実施形態のセラミック回路基板の部分放電電荷量は、1.0pC以下、好ましくは0.7pC以下、より好ましくは0.5pC以下である。
55mm×48mm×1.0mmtの窒化アルミニウム基板の一主面に0.3mmtの銅板で図1に示したパターンで30mm×44mmと20.5mm×44mmを0.50mmのパターン間距離になるよう金属回路を配置した。他方の主面は、52mm×45mm×0.3mmt銅板(放熱板)を接合してセラミック回路基板を作製した。該セラミック回路基板に、インクジェット印刷法(装置名 日本文化精工製インクジェット印刷機(ヘッド:リコー製GEN5))でエポキシ樹脂を主成分とする樹脂(太陽インキ製造(株)製IJSR-4000)を図2に示したパターンで金属回路主面上には回路外周部から内側3.00mmの位置に幅3.00mmで、回路部の外周部には幅1.00mmで、金属回路間には幅0.50mmで同時に塗布して、図2に示すセラミック回路基板を得た。
銅板の代わりに、0.2mmtの銅板と0.2mmtのアルミニウム板が拡散接合された2層クラッド材(アルミニウム板側が窒化アルミニウム基板に接合)を用いた以外は、実施例1と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、ポリイミド樹脂を主成分とする樹脂(JNC(株)製リクソンコート)を用いた以外は、実施例1と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、アクリル樹脂を主成分とする樹脂(互応化学工業(株)製PER400)を用いた以外は、実施例1と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
0.3mmtの銅板の代わりに、0.4mmtのアルミニウム板を用いた以外は、実施例1と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、ポリイミド樹脂を主成分とする樹脂(JNC(株)製リクソンコート)を用いた以外は、実施例5と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、アクリル樹脂を主成分とする樹脂(互応化学工業(株)製PER400)を用いた以外は、実施例5と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、シリコーン樹脂を主成分とする樹脂(東レ・ダウコーニング(株)製WL-5351)を用いた以外は、実施例5と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
窒化アルミニウム基板の代わりに、厚み0.635mmの窒化珪素基板を用いた以外は、実施例1と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、ポリイミド樹脂(JNC(株)製リクソンコート)を用いた以外は、実施例9と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、アクリル樹脂を主成分とする樹脂(互応化学工業(株)製PER400)を用いた以外は、実施例9と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
0.3mmtの銅板の代わりに、0.4mmtのアルミニウム板を用いた以外は、実施例9と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、ポリイミド樹脂を主成分とする樹脂(JNC(株)製リクソンコート)を用いた以外は、実施例12と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
窒化アルミニウム基板の代わりに、0.635mmtのアルミナ基板を用いた以外は、実施例1と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂(太陽インキ製造(株)製UVR-150G)をインクジェット印刷法の代わりに、タンポ印刷法で回路面上と回路部の外周部及び金属回路間に同時に塗布した以外は、実施例1と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、シリコーン樹脂を主成分とする樹脂(東レ・ダウコーニング(株)製WL-5351)を用いた以外は、実施例15と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
実施例1と同様に作製したセラミック回路基板に絶縁樹脂を塗布しない状態で使用した。
実施例5と同様に作製したセラミック回路基板に絶縁樹脂を塗布しない状態で使用した。
実施例9と同様に作製したセラミック回路基板に絶縁樹脂を塗布しない状態で使用した。
実施例14と同様に作製したセラミック回路基板に絶縁樹脂を塗布しない状態で使用した。
実施例1に記載した金属回路と放熱板を配置したセラミック回路基板に、従来工程同様に、金属回路の主面に絶縁樹脂を塗布する工程を行った後に、一旦取り外し、再度設定してから、回路部の外周部及び金属回路間に絶縁樹脂を塗布する工程に分けて、エポキシ樹脂を主成分とする樹脂(太陽インキ製造製IJSR-4000)をインクジェット印刷法で個別塗布して、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、ポリイミド樹脂を主成分とする樹脂(JNC(株)製リクソンコート)を用いた以外は、比較例5と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、アクリル樹脂を主成分とする樹脂(互応化学工業(株)製PER400)を用いた以外は、比較例5と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
エポキシ樹脂を主成分とする樹脂の代わりに、シリコーン樹脂を主成分とする樹脂(東レ・ダウコーニング(株)製WL-5351)を用いた以外は、比較例5と同様にして、図2に示すセラミック回路基板を得た。
得られたセラミック回路基板30枚において、図2に示すB部における絶縁樹脂(半田レジスト)(3)及び絶縁樹脂(絶縁劣化・放電防止)(4)間の既定距離3.00mmからのずれ量を光学顕微鏡(倍率30倍)で測定し、印刷精度(ずれ量)とした。
得られたセラミック回路基板を絶縁油中で、昇圧速度0.3kV/sで10kVまで昇圧し、その後0.5kV/sの速度で8kVまで降圧させ、10秒間8kVを維持し、その時の部分放電電荷量をMess-&Prufsysteme GmbH社製部分放電測定機(TTP15)で測定した。
セラミック回路基板30枚を85℃、93%Rh、電圧1.0kVで500時間印加しながら絶縁抵抗を測定し、絶縁抵抗値が1×106Ω以下となる基板の枚数を絶縁劣化基板とした。
2 金属回路
3 絶縁樹脂(半田レジスト)
4 絶縁樹脂(絶縁劣化・放電防止)
Claims (4)
- 金属回路と、セラミック基板と、第一の絶縁樹脂を含む堰部と、第二の絶縁樹脂を含む絶縁部とを含むセラミック回路基板であって、
前記金属回路と前記セラミック基板とが接合されており、
前記堰部が、前記金属回路の主面上に、前記金属回路の縁に沿って帯状に形成され、
前記絶縁部が、前記金属回路の外周部および/または前記金属回路間に形成され、
かつ、前記堰部と前記絶縁部とが、互いに接触しないように独立して設けられていることを特徴とするパワーモジュール用セラミック回路基板。 - 上記セラミック基板が、窒化アルミニウム、窒化珪素またはアルミナ基板であり、上記金属回路が、銅及びアルミニウムから選ばれた1種以上の金属から構成されており、且つ上記第一及び第二の絶縁樹脂がエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂及びシリコーン樹脂から選ばれた1種以上を含有する樹脂を用いることを特徴とする請求項1のパワーモジュール用セラミック回路基板。
- 請求項1又は2に記載のパワーモジュール用セラミック回路基板の製造方法であって、上記第一及び第二の絶縁樹脂を、金属回路の主面上と、金属回路の外周部および/または金属回路間とに同時に塗布することを特徴とするパワーモジュール用セラミック回路基板の製造方法。
- 上記第一及び第二の絶縁樹脂の塗布方法がインクジェット印刷法またはタンポ印刷法であることを特徴とする請求項3記載のパワーモジュール用セラミック回路基板の製造方法。
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