JPWO2020116306A1 - 高電圧用回路基板およびそれを用いた高電圧デバイス - Google Patents

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Abstract

熱可塑性液晶ポリマーで絶縁層が構成され、高電圧下での絶縁信頼性に優れている回路基板およびこれを用いた高電圧デバイスを提供する。前記回路基板（３０）は、絶縁層（３１）と、高電圧用の回路層（３４）とを備える回路基板であって、前記絶縁層（３１）が、熱可塑性液晶ポリマーで構成される高電圧用回路基板である。前記回路基板（３０）は、絶縁層（３１）からの熱を放熱するための放熱部材（３９）を備えているのが好ましい。

Description

関連出願
本願は、日本国で２０１８年１２月４日に出願した特願２０１８−２２７１７１の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本出願の一部をなすものとして引用する。
本発明は、光学的異方性の溶融相を形成する熱可塑性液晶ポリマーで絶縁層が構成され、高電圧下での絶縁信頼性に優れている回路基板に関する。
電力制御装置として各種電子素子を回路基板上に搭載した装置、例えばインバータ装置や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、使用が年々拡大しており、特に、大容量化かつ効率化、小スペース化を実現するために、高電圧化および小型高密度化が求められている。
しかしながら、高電圧化および小型高密度化に由来して、配線や電極として使用した金属が絶縁物の上を移動することによりマイグレーションが発生し、その結果回路基板に絶縁不良を起こすことがある。マイグレーションが発生すると、最終的には短絡を起こし、システムの破壊を伴うおそれがある。マイグレーションの発生は、電界強度と電極間の距離、パルス周波数に依存し、基板の温度、吸湿の影響が大きく、一般に吸湿が大きい基板ではマイグレーションが発生しやすい。
例えば、マイグレーション劣化を防止するために、特許文献１（特開２０１０−１８６７８９号公報）には、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絶縁回路基板が開示されている。
特開２０１０−１８６７８９号公報
しかしながら、特許文献１で用いられている絶縁回路基板では、複合絶縁層と樹脂単体絶縁層とを積層する必要があるため工程が複雑化する。さらに、無機充填材には塩素イオン等の不純物イオンが多く含まれるため、無機充填材が絶縁樹脂に分散してなる複合絶縁層を使用する場合、依然として無機充填材と絶縁樹脂との複合によるマイグレーションの発生を抑制することができない。
従って本発明の目的は、熱可塑性液晶ポリマーで絶縁層が構成され、高電圧下での絶縁信頼性に優れる回路基板を提供することにある。
本発明の別の目的は、高電圧かつ短パルスであっても、絶縁信頼性を発揮できる回路基板を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、高温下での絶縁信頼性に優れる回路基板を提供することにある。
本発明の発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、熱可塑性液晶ポリマーの低電圧下での絶縁信頼性は、他の材料と同程度であるのが従来の知見であったが、驚くべきことに、高電圧下での熱可塑性液晶ポリマーの絶縁信頼性は、他の材料と比較して極めて良好であることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の態様で構成されうる。
〔態様１〕
絶縁層と、高電圧用の回路層とを備える回路基板であって、
前記絶縁層が、熱可塑性液晶ポリマーで構成される、高電圧用回路基板。
〔態様２〕
態様１において、絶縁層の１ＧＨｚにおける比誘電率が３．５以下（例えば、１．８〜３．５程度、より好ましくは２．５〜３．４程度）である、高電圧用回路基板。
〔態様３〕
態様１または２において、さらに絶縁層からの熱を放熱するための放熱部材を備える、高電圧用回路基板。
〔態様４〕
態様１〜３のいずれか一態様において、絶縁層が、無機充填材を含まない樹脂単体絶縁層である、高電圧用回路基板。
〔態様５〕
態様１〜４のいずれか一態様において、絶縁層の厚さが、２５〜１０００μｍ（好ましくは２５〜８００μｍ程度、より好ましくは５０〜７００μｍ程度、さらに好ましくは１００〜５００μｍ程度）である、高電圧用回路基板。
〔態様６〕
態様１〜５のいずれか一態様において、絶縁層の分子配向度ＳＯＲが０．８〜１．４（好ましくは０．９〜１．３、より好ましくは１．０〜１．２、さらに好ましくは１．０〜１．１）である、高電圧用回路基板。
〔態様７〕
態様１〜６のいずれか一態様において、パルス制御基板として用いられる、高電圧用回路基板。
〔態様８〕
態様１〜７のいずれか一態様において、パワー半導体デバイスに用いられる、高電圧用回路基板。
〔態様９〕
態様１〜８のいずれか一態様に記載の高電圧用回路基板と電子素子とを備える、高電圧デバイス。
〔態様１０〕
態様１〜８のいずれか一態様に記載の高電圧用回路基板とパワー半導体素子とを備える、パワー半導体デバイス。
なお、請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成要素のどのような組み合わせも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲に記載された請求項の２つ以上のどのような組み合わせも本発明に含まれる。
本発明の高電圧用回路基板は、絶縁層を熱可塑性液晶ポリマーで構成するため、高電圧下での絶縁信頼性に優れている。また、本発明の高電圧用回路基板は、高電圧・短パルスでの駆動においても良好な絶縁信頼性を発揮することができる。
また、本発明の高電圧用回路基板は、高湿条件においても、マイグレーションの発生を抑制することができる。さらに高温条件においても、絶縁破壊が発生することを抑制することができるため、高電圧・高温下で使用した場合でも、良好な絶縁信頼性を達成することが可能である。
この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきでない。この発明の範囲は添付のクレームによって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一部分を示す。
本発明の一実施態様に係る高電圧用回路基板を説明するための概略断面図である。 本発明の一実施態様に係る高電圧用回路基板を説明するための概略断面図である。 本発明の一実施態様に係る高電圧用回路基板を説明するための概略断面図である。 本発明の一実施態様に係る高電圧デバイスを説明するための概略断面図である。
本発明の高電圧用回路基板は、絶縁層と、高電圧用の回路層とを備える回路基板であって、前記絶縁層が、熱可塑性液晶ポリマーで構成されている。熱可塑性液晶ポリマーで絶縁層を構成すると、外部電界に対する分極や配向を抑制することができるためか、高電圧（特に高電圧かつ短パルス）でのマイグレーションが発生しにくく、絶縁破壊の発生を抑制することが可能である。ここで、高電圧とは、５００Ｖ以上の電圧を意味しており、短パルスとはパルス幅１ＫＨｚ〜１ＭＨｚの１ｍ秒〜１μ秒パルスを意味している。
さらに、熱可塑性液晶ポリマーは吸湿しにくいため、高湿条件（例えば、７０％ＲＨ以上、好ましくは８０％ＲＨ以上、より好ましくは９０％ＲＨ以上）、特に前記高湿条件かつ高温条件（例えば、７０℃以上、好ましくは７５℃以上、より好ましくは８０〜１５０℃）でのマイグレーションの発生を抑制することができる。そのため、高湿条件（特に高温かつ高湿条件）においても、高電圧、短パルスによる絶縁破壊を抑制することができる。
（熱可塑性液晶ポリマー）
熱可塑性液晶ポリマーは、溶融成形できる液晶性ポリマー（光学的に異方性の溶融相を形成し得るポリマー）であればその化学的構成については特に限定されるものではないが、例えば、熱可塑性液晶ポリエステル、またはこれにアミド結合が導入された熱可塑性液晶ポリエステルアミドなどを挙げることができる。
また熱可塑性液晶ポリマーは、芳香族ポリエステルまたは芳香族ポリエステルアミドに、更にイミド結合、カーボネート結合、カルボジイミド結合やイソシアヌレート結合などのイソシアネート由来の結合等が導入されたポリマーであってもよい。
本発明に用いられる熱可塑性液晶ポリマーの具体例としては、以下に例示する（１）から（４）に分類される化合物およびその誘導体から導かれる公知の熱可塑性液晶ポリエステルおよび熱可塑性液晶ポリエステルアミドを挙げることができる。ただし、高分子液晶を形成するためには、種々の原料化合物の組合せには適当な範囲があることは言うまでもない。
（１）芳香族または脂肪族ジヒドロキシ化合物（代表例は表１参照）
Figure 2020116306
（２）芳香族または脂肪族ジカルボン酸（代表例は表２参照）
Figure 2020116306
（３）芳香族ヒドロキシカルボン酸（代表例は表３参照）
Figure 2020116306
（４）芳香族ジアミン、芳香族ヒドロキシアミンまたは芳香族アミノカルボン酸（代表例は表４参照）
Figure 2020116306
これらの原料化合物から得られる熱可塑性液晶ポリマーの代表例として表５および６に示す構造単位を有する共重合体を挙げることができる。
Figure 2020116306
Figure 2020116306
これらの共重合体のうち、ｐ−ヒドロキシ安息香酸および／または６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸を少なくとも繰り返し単位として含む共重合体が好ましく、特に、（ｉ）ｐ−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸との繰り返し単位を含む共重合体、または（ｉｉ）ｐ−ヒドロキシ安息香酸および６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸からなる群から選ばれる少なくとも一種の芳香族ヒドロキシカルボン酸と、少なくとも一種の芳香族ジオールと、少なくとも一種の芳香族ジカルボン酸との繰り返し単位を含む共重合体が好ましい。
例えば、（ｉ）の共重合体では、熱可塑性液晶ポリマーが、少なくともｐ−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸との繰り返し単位を含む場合、繰り返し単位（Ａ）のｐ−ヒドロキシ安息香酸と、繰り返し単位（Ｂ）の６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸とのモル比（Ａ）／（Ｂ）は、熱可塑性液晶ポリマー中、（Ａ）／（Ｂ）＝１０／９０〜９０／１０程度であるのが望ましく、より好ましくは、（Ａ）／（Ｂ）＝１５／８５〜８５／１５程度であってもよく、さらに好ましくは、（Ａ）／（Ｂ）＝２０／８０〜８０／２０程度であってもよい。
また、（ｉｉ）の共重合体の場合、ｐ−ヒドロキシ安息香酸および６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸からなる群から選ばれる少なくとも一種の芳香族ヒドロキシカルボン酸（Ｃ）と、４，４’−ジヒドロキシビフェニル、ヒドロキノン、フェニルヒドロキノン、および４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも一種の芳香族ジオール（Ｄ）と、テレフタル酸、イソフタル酸および２，６−ナフタレンジカルボン酸からなる群から選ばれる少なくとも一種の芳香族ジカルボン酸（Ｅ）の、熱可塑性液晶ポリマーにおける各繰り返し単位のモル比は、芳香族ヒドロキシカルボン酸（Ｃ）：前記芳香族ジオール（Ｄ）：前記芳香族ジカルボン酸（Ｅ）＝（３０〜８０）：（３５〜１０）：（３５〜１０）程度であってもよく、より好ましくは、（Ｃ）：（Ｄ）：（Ｅ）＝（３５〜７５）：（３２．５〜１２．５）：（３２．５〜１２．５）程度であってもよく、さらに好ましくは、（Ｃ）：（Ｄ）：（Ｅ）＝（４０〜７０）：（３０〜１５）：（３０〜１５）程度であってもよい。
また、芳香族ヒドロキシカルボン酸（Ｃ）のうち６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸に由来する繰り返し単位のモル比率は、例えば、８５モル％以上であってもよく、好ましくは９０モル％以上、より好ましくは９５モル％以上であってもよい。芳香族ジカルボン酸（Ｅ）のうち２，６−ナフタレンジカルボン酸に由来する繰り返し単位のモル比率は、例えば、８５モル％以上であってもよく、好ましくは９０モル％以上、より好ましくは９５モル％以上であってもよい。
また、芳香族ジオール（Ｄ）は、ヒドロキノン、４，４’−ジヒドロキシビフェニル、フェニルヒドロキノン、および４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテルからなる群から選ばれる互いに異なる二種の芳香族ジオールに由来する繰り返し単位（Ｄ１）と（Ｄ２）であってもよく、その場合、二種の芳香族ジオールのモル比は、（Ｄ１）／（Ｄ２）＝２３／７７〜７７／２３であってもよく、より好ましくは２５／７５〜７５／２５、さらに好ましくは３０／７０〜７０／３０であってもよい。
また、芳香族ジオールに由来する繰り返し構造単位と芳香族ジカルボン酸に由来する繰り返し構造単位とのモル比は、（Ｄ）／（Ｅ）＝９５／１００〜１００／９５であることが好ましい。この範囲をはずれると、重合度が上がらず機械強度が低下する傾向がある。
なお、本発明にいう光学的に異方性の溶融相を形成し得るとは、例えば試料をホットステージにのせ、窒素雰囲気下で昇温加熱し、試料の透過光を観察することにより認定できる。
熱可塑性液晶ポリマーとして好ましいものは、融点が２６０〜３６０℃の範囲のものであり、さらに好ましくは２７０〜３５０℃の範囲のものである。なお、融点は、示差走査熱量計を用いて、サンプルの熱挙動を観察して得ることができる。すなわち供試サンプルを２０℃／分の速度で昇温して完全に溶融させた後、溶融物を５０℃／分の速度で５０℃まで急冷し、再び２０℃／分の速度で昇温した後に現れる吸熱ピークの位置を、熱可塑性液晶ポリマーの融点として記録すればよい。
前記熱可塑性液晶ポリマーには、本発明の効果を損なわない範囲内で、ポリエチレンテレフタレート、変性ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素樹脂等の熱可塑性ポリマー、各種添加剤、充填材等を添加してもよい。
充填材としては、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＡｌＮ（窒化アルミ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などの金属系フィラー、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＳｉＯ2（シリカ）、ＳｉＣ（炭化けい素）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化けい素）などの半金属系フィラーなどを例示することができるが、熱可塑性液晶ポリマーは放熱性に優れるだけでなく、誘電率が回路基板に求められる好適な範囲に存在するため、絶縁層は、無機充填材を含まない樹脂単体絶縁層であってもよい。
本発明で用いられる絶縁層では、マイグレーションの発生を抑制する観点から、充填材（例えば、金属系フィラー、特にアルミナ）の絶縁層中の含有量は、例えば、５％以下であってもよく、好ましくは３％以下、より好ましくは１％以下、特に好ましくは０％であるのが好ましい。充填材としてアルミナなどの金属系フィラーを含む場合、金属系フィラーと樹脂との誘電率の違いにより、樹脂と金属系フィラーとの界面に電荷がたまりやすく、たまった電荷により絶縁破壊を起こしやすくなる傾向にある。特に、一般的に放熱用に用いられるアルミナの誘電率は９程度であり、樹脂との誘電率差が大きい。そのため、絶縁層に充填材を含まないことが好ましい場合もある。
本発明で用いられる絶縁層は、熱可塑性液晶ポリマーで実質的に構成されるのが好ましく、絶縁層中の熱可塑性液晶ポリマーの割合は、例えば、９５％以上であってもよく、好ましくは９７％以上、より好ましくは９９％以上、特に好ましくは１００％であってもよい。熱可塑性液晶ポリマーは放熱性に優れるだけでなく、誘電率が回路基板に求められる好適な範囲に存在するため、充填剤を含まずに絶縁層として用いても絶縁信頼性に優れ、また、充填剤を含まないことにより、界面に電荷がたまることなく、また、水分の吸湿もなく、さらに、充填剤と樹脂との熱膨張係数の違いによる界面剥離が生じる心配もない。
本発明で用いられる絶縁層は、熱可塑性液晶ポリマーで構成される限り特に限定されないが、薄肉化が容易である観点から、熱可塑性液晶ポリマーフィルムを用いて形成されるのが好ましい。熱可塑性液晶ポリマーフィルムは、例えば、前記熱可塑性液晶ポリマーの溶融混練物を押出成形して得られる。
押出成形では、配向を制御するために、延伸処理を伴うのが好ましく、例えば、Ｔダイ法による押出成形では、Ｔダイから押出した溶融体シートを、フィルムのＭＤ方向（Machine direction）だけでなく、これとＴＤ方向(Transverse direction)の双方に対して同時に延伸してもよいし、またはＴダイから押出した溶融体シートを一旦ＭＤ方向に延伸し、ついでＴＤ方向に延伸してもよい。
また、インフレーション法による押出成形では、リングダイから溶融押出された円筒状シートに対して、所定のドロー比（ＭＤ方向の延伸倍率に相当する）およびブロー比（ＴＤ方向の延伸倍率に相当する）で延伸してもよい。ＭＤ方向とＴＤ方向における分子配向性を制御することにより、例えば、分子配向度ＳＯＲが０．８〜１．４である熱可塑性液晶ポリマーフィルムを得られるため好ましい。
押出成形の延伸倍率は、ＭＤ方向の延伸倍率（またはドロー比）として、例えば、１．０〜１０程度であってもよく、好ましくは１．２〜７程度、さらに好ましくは１．３〜７程度であってもよい。また、ＴＤ方向の延伸倍率（またはブロー比）として、例えば、１．５〜２０程度であってもよく、好ましくは２〜１５程度、さらに好ましくは２．５〜１４程度であってもよい。
ＭＤ方向とＴＤ方向とのそれぞれの延伸倍率の比（ＴＤ方向／ＭＤ方向）は、例えば、２．６以下、好ましくは０．４〜２．５程度であってもよい。
また、熱可塑性液晶ポリマーフィルムには、押出成形した後に、必要に応じて延伸を行ってもよい。延伸方法自体は公知であり、二軸延伸、一軸延伸のいずれを採用してもよいが、分子配向度を制御することがより容易であることから、二軸延伸が好ましい。また、延伸は、公知の一軸延伸機、同時二軸延伸機、逐次二軸延伸機などが使用できる。
得られた、熱可塑性液晶ポリマーフィルムは、直接または積層して回路基板の絶縁層として用いることができる。
なお、必要に応じて、公知または慣用の熱処理を行い、熱可塑性液晶ポリマーフィルム（または熱可塑性液晶ポリマー絶縁層）の融点および／または熱膨張係数を調整してもよい。
［高電圧用回路基板］
高電圧用回路基板（以下、単に回路基板と称する場合がある）は、絶縁層と高電圧用の回路層とを備えている。例えば、回路基板は、回路層を、絶縁層の内部に存在する内層回路として備えていてもよく、絶縁層の外部に存在する外層回路として備えていてもよく、内層回路および外層回路の双方を備えていてもよい。また、外層回路に代えて、導体層（例えば、金属層）を有していてもよい。内層回路を備える場合、回路基板は、スルーホールや導電ペーストなどにより、内層回路の外部との通電性を確保するのが好ましい。
このような回路基板は、高電圧が付与されるため電気回路の発熱量が大きくなるが、本発明の回路基板では、絶縁層が熱可塑性液晶ポリマーで構成されるため、放熱性が良好であるとともに、高温下であってもマイグレーションを抑制することができる。
駆動力の向上の観点から、高電圧用回路基板は、例えば、絶縁耐圧の交流実効値が、４００Ｖを超えていればよく、好ましくは７００Ｖ以上、より好ましくは１０００Ｖ以上であってもよい。上限は特に限定されないが、１５ｋＶ程度であってもよい。
また、本発明の回路基板は、高電圧、短パルスを使用して出力の調整を行うためのパルス制御基板として好適に用いることができる。本発明の回路基板において適用されるスイッチング周波数は特に限定されないが、短パルスを利用する観点から、例えば、１ＫＨｚ〜１ＭＨｚ程度であってもよく、好ましくは１０ｋＨｚ〜９００ｋＨｚ程度であってもよい。
例えば、図１に本発明の一実施態様に係る高電圧用回路基板を説明するための概略断面図を示す。図１に示すように、回路基板１０は、熱可塑性液晶ポリマーで構成された絶縁層１１の内部に内層回路１２を備えている。また、絶縁層１１の厚み方向一方の面（以下、単に一方の面と称する）には外層回路１４を備え、絶縁層１１の厚み方向他方の面（以下、単に他方の面と称する）には導体層（例えば金属箔）１８を備えている。回路基板１０が、絶縁層１１の内部でこの絶縁層１１の厚み方向に離隔した２つの内層回路１２，１２を備えている場合、これら２つの内層回路１２，１２は、例えば、導電ペースト１３により通電可能に接続されていてもよい。また、内層回路１２は、スルーホール１６により外層回路１４および／または導体層１８と通電可能に接続されていてもよい。なお、絶縁層１１は、一方および他方の双方の面に外層回路１４を備えていてもよい。または絶縁層１１は、前記双方の面に導体層１８を備えていてもよい。
また、図２に本発明の一実施態様に係る高電圧用回路基板を説明するための概略断面図を示す。図２に示すように、回路基板２０は、熱可塑性液晶ポリマーで構成された絶縁層１１と、回路層として絶縁層１１の一方の面に配設された外部回路１４と、絶縁層１１の他方の面に配設された放熱部材２９（例えば、金属板）とを備えている。なお、図２では、図１の構成と比べ、導体層１８に代えて、絶縁層１１が直接放熱部材２９と接しているが、必要に応じて、絶縁層１１と放熱部材２９の間に導体層が備えられていてもよい。外部回路１４に高電圧が印加されることにより発生するジュール熱は、絶縁層１１を介して放熱部材２９から外部へ放熱される。なお、絶縁層１１の内部には、図１の場合と同様に、必要に応じて内層回路が配設されていてもよく、その場合、スルーホール、導電ペーストによる通電が行われていてもよい。
また、図３に本発明の一実施態様に係る高電圧用回路基板を説明するための概略断面図を示す。図３に示すように、回路基板３０は、熱可塑性液晶ポリマーで構成された絶縁層３１と、絶縁層３１の一方の面に配設された回路層３４と、絶縁層３１の他方の面に配設された放熱部材３９とを備えている。
以下に、本発明の回路基板を構成する各構成部材について、説明する。
（絶縁層）
絶縁層は熱可塑性液晶ポリマーで構成される。なお、絶縁層は必要に応じて無機充填材を含んでいてもよいが、マイグレーションの発生を抑制する観点から、絶縁層は無機充填材を含まない樹脂単体絶縁層であるのが好ましい。より好ましくは、絶縁層は、無機充填材を含まない熱可塑性液晶ポリマーの樹脂単体絶縁層であってもよい。無機充填材を含まない樹脂単体絶縁層である場合、無機充填材の高充填化に起因するマイグレーションによる絶縁破壊を抑制することが可能である。
絶縁層の分子配向度ＳＯＲは、０．８〜１．４であることが好ましく、０．９〜１．３であることがより好ましく、１．０〜１．２であることがさらに好ましく、１．０〜１．１であることが特に好ましい。ここで分子配向度ＳＯＲは、後述する実施例に記載された方法により測定される値である。
絶縁層の吸水率は、０．０６％以下（例えば０．０３〜０．０６％）であることが好ましく、０．０５％以下であることがより好ましい。ここで吸水率は、後述する実施例に記載された方法により測定される値である。
また、本発明の回路基板は、誘電特性に優れており、例えば絶縁層の１ＧＨｚにおける比誘電率は、好ましくは３．５以下（例えば、１．８〜３．５程度）であってもよく、より好ましくは２．５〜３．４程度であってもよい。このような比誘電率を有することにより、外部電界に対して分極しにくくすることができる。比誘電率は、後述する実施例に記載された方法により測定される値である。
また、絶縁層の熱膨張係数は、例えば、導体層を形成する材料などに応じて適宜設定することが可能であるが、高電圧下で発生する熱により絶縁層と導体層との熱膨張の差が発生するのを防ぐ観点から、例えば、絶縁層の熱膨張係数は、１５〜２３ｐｐｍ／℃程度であってもよい。また、絶縁層の熱膨張係数と導体層の熱膨張係数との差は、例えば、５ｐｐｍ／℃以下であってもよく、好ましくは３ｐｐｍ／℃以下であってもよく、より好ましくは１ｐｐｍ／℃以下であってもよい。ここで熱膨張係数は、後述する実施例に記載された方法により測定される値である。
さらに、本発明の高電圧用回路基板では、熱可塑性液晶ポリマーで絶縁層を構成するため、高湿条件での絶縁性の低下を抑制することができる。
例えば、ＪＩＳ Ｋ ６９１１（２００６）を参考にして測定された絶縁層の吸湿前の体積抵抗率は、例えば２．０×１０15〜８．０×１０16Ω・ｃｍ（好ましくは、５．０×１０15〜５．０×１０16Ω・ｃｍ）であってもよく、且つ、吸湿後の体積抵抗率は、２．０×１０15〜８．０×１０16Ω・ｃｍ（好ましくは、５．０×１０15〜５．０×１０16Ω・ｃｍ）であってもよい。
なお、ここで、吸湿後の値は４０℃、９０％ＲＨでの環境下で４８時間放置したサンプルを用いて測定された値である。
また、ＪＩＳ Ｃ ２１５１（２００６）を参考にして測定された絶縁層の吸湿前の絶縁破壊電圧は、例えば１５０〜２００ｋＶ／ｍｍ（１５５〜１９０ｋＶ／ｍｍ）であってもよく、且つ、吸湿後の絶縁破壊電圧は、１５０〜２００ｋＶ／ｍｍ（１５５〜１９０ｋＶ／ｍｍ）であってもよい。
なお、ここで、吸湿後の値は４０℃、９０％ＲＨでの環境下で４８時間放置したサンプルを用いて測定された値である。
回路基板において、絶縁層の厚さは、用途に応じ適宜設定することができるが、例えば、絶縁性を確保しつつ、放熱性を良好にする観点から、厚さは、２５〜１０００μｍ程度（例えば、２５〜８００μｍ程度）、好ましくは５０〜７００μｍ程度、さらに好ましくは１００〜５００μｍ程度であってもよい。特に、本発明の回路基板では、放熱性を高める観点から絶縁層を薄肉化しても、絶縁層が熱可塑性液晶ポリマーで構成されているため、マイグレーションによる絶縁破壊の発生を抑制することができる。
（導体層）
導体層は、例えば、少なくとも導電性を有する金属などから形成され、必要に応じて、この導体層は、公知の回路加工方法を用いて回路が形成された回路層であってもよい。そのため、導体層には、導体回路、導体箔または導体膜などが含まれる。導体層を形成する導体としては、導電性を有する各種金属、例えば、金、銀、銅、鉄、ニッケル、アルミニウムまたはこれらの合金金属などであってもよい。好ましくは、電気抵抗率が１．０×１０−６Ω・ｍ以下であることが好ましく、なかでも、１．０×１０−７Ω・ｍ以下であることが好ましく、特に、３．０×１０−８Ω・ｍ以下であることがさらに好ましい。
熱可塑性液晶ポリマーで構成される絶縁層上に導体層を形成する方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば蒸着、無電解めっき、電解めっきにより、金属層を形成してもよい。また、金属箔（例えば銅箔）を熱圧着により、絶縁層の表面に圧着してもよい。
導体層を構成する金属箔は、電気的接続に使用されるような金属箔が好適であり、銅箔、のほか金、銀、ニッケル、アルミニウムなどの各種金属箔を挙げることができ、また実質的に（例えば、９８質量％以上）これらの金属で構成される合金箔を含んでいてもよい。
これらの金属箔のうち、銅箔が好ましく用いられる。銅箔は、回路基板において用い得る銅箔であれば、特に限定されず、圧延銅箔、電解銅箔のいずれであってもよい。
導体層の厚みは用途などに応じて適宜設定することが可能であり、例えば、５μｍ〜２ｍｍ程度であってもよく、好ましくは１０μｍ〜１ｍｍ程度であってもよく、より好ましくは１００μｍ〜５００μｍ程度であってもよい。
（放熱部材）
回路基板の放熱性を高める観点から、回路基板は、さらに絶縁層からの熱を放熱するための放熱部材を備えていてもよい。
放熱部材は、絶縁層からの熱を放熱できる限り特に限定されないが、例えば、放熱性に優れる観点から、アルミニウム、銅などの良熱伝導体（例えば、金属）が挙げられる。良熱伝導体の熱伝導率の値は、例えば、３０Ｗ／ｍＫ以上であってもよく、好ましくは５０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは１００Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。
放熱部材の形状は、用途に応じて適宜設定することが可能であるが、全体的に放熱する観点から面状部材（例えば板状部材、シート状部材）であるのが好ましい。面状部材の厚みは材料に応じて適宜設定することが可能であるが、例えば、５μｍ〜５ｍｍ程度であってもよく、好ましくは１０μｍ〜２ｍｍ程度であってもよい。
また、放熱部材として、放熱フィンを備えていてもよい。このような放熱部材により、回路基板に発生したジュール熱は、絶縁層を通過して、放熱部材から外部に放熱されることになる。放熱フィンは、公知または慣用の材料で形成されてもよい。放熱フィンは、単独でまたは放熱性面状部材と組み合わせて使用されていてもよい。
放熱部材と絶縁層との接合は、材料に応じて適宜設定することが可能であるが、例えば、公知または慣用の接着剤や、真空圧着などの熱圧着により接着してもよい。放熱性の観点から、好ましくは放熱用熱伝導接着剤により接着してもよい。
［高電圧デバイス］
高電圧デバイスは、高電圧下で使用されるデバイス（装置）であれば特に限定されず、上述した回路基板と、回路基板と電気的に接続する電子素子とを備えている。高電圧デバイスは、搭載する電子素子の種類に応じてその用途が設定される。
図４は本発明の一実施形態に係る回路基板３０を備える高電圧デバイス１００の断面図を示している。図４に示すように、高電圧デバイス１００は、回路基板３０と、回路基板３０の回路層３４と電気的に接続している電子素子３５とを備えている。回路基板３０は、絶縁層３１と、絶縁層３１の一方の面に配設された回路層３４と、絶縁層３１の他方の面に配設された放熱部材３９とを備えている。なお、回路基板３０の絶縁層３１の内部には、必要に応じて内層回路が配設されていてもよく、その場合、スルーホール、導電ペーストによる通電が行われていてもよい。このような高電圧デバイス１００では、例えば、高電圧の矩形波が高周波で繰り返し印加されて、電子素子３５に高いジュール熱が発生した場合であっても、絶縁層３１を介して放熱部材３９から外部へ放熱される。なお、図示していないが、高電圧デバイス１００は、公知または慣用の他の回路部品を適宜配設していてもよい。
電子素子としては、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）、トライアックなどの半導体素子、ＬＥＤ素子、ＥＬ素子、固体撮像素子などが挙げられる。また、高電圧デバイスは、さらに、結線、抵抗およびコンデンサ等の回路部品を備えていてもよい。これらの電子素子および回路部品は、公知または慣用の部品を利用することができる。特に、高電圧デバイスは、高電圧用回路基板とパワー半導体素子とを備える、パワー半導体デバイスとして有用である。
本発明の高電圧デバイスでは、絶縁層が熱可塑性液晶ポリマーで構成された高電圧用回路基板を用いているため、例えば、高電圧下、特に高電圧かつ短パルス下での用途においても、良好な絶縁信頼性を有するため、マイグレーションに由来する絶縁破壊、さらにはシステム破壊の発生を抑制することが可能である。特に、高湿下および／または高温下においても、絶縁層が熱可塑性液晶ポリマーで構成された高電圧用回路基板では良好な絶縁信頼性を有するため、高電圧下、特に高電圧かつ短パルス下でのマイグレーションに由来する絶縁破壊、さらにはシステム破壊の発生を抑制することが可能である。
そのため、本発明の高電圧用回路基板を用いる高電圧デバイスとしては、インバータ、コンバータ、発振器、サーボアンプ、アクチュエータ、およびパワー半導体デバイスなどが挙げられる。このような高電圧デバイスは、電動輸送手段（ハイブリッド車や電気自動車、電車など）、送電システム、太陽電池、サーバー、パソコン、産業用ロボット、各種家電（エアコン、冷蔵庫など）、各種発光デバイス（ＬＥＤ、ＥＬ）、燃料電池、風力発電、高周波電源、モータ制御などに好適に用いることができる。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明は本実施例により何ら限定されるものではない。なお、以下の実施例および比較例においては、下記の方法により各種物性を測定した。
［融点］
示差走査熱量計を用いて、絶縁層の供試サンプルとして、熱可塑性液晶ポリマーフィルムを利用し、その熱挙動を観察して得た。つまり、供試サンプルを２０℃／分の速度で昇温して完全に溶融させた後、溶融物を５０℃／分の速度で５０℃まで急冷し、再び２０℃／分の速度で昇温した時に現れる吸熱ピークの位置を、供試サンプルの融点として記録した。なお、供試サンプルとなる熱可塑性液晶ポリマーフィルムが入手できない場合は、回路基板から回路部分などを除去したフィルム状物を供試サンプルとして利用してもよい。
［絶縁層の厚み］
絶縁層の厚みを、（株）ミツトヨ製デジマチックインジケータを用いて測定した。測定は、回路基板から試料断片（縦５０ｃｍ×横５０ｃｍ）を採取し、各試料について、ランダムに１０点を測定し、その平均値を用いて、絶縁層の厚さとした。
［熱膨張係数（ｐｐｍ／℃）］
絶縁層の供試サンプルとして、熱可塑性液晶ポリマーフィルムを利用した。熱可塑性液晶ポリマーフィルムの熱膨張係数とは、室温から該フィルムの熱変形温度付近まで一定昇温速度で加熱したときの膨張率を温度差で割った係数であり、以下のように算出される。
まず、周知の熱機械分析装置を用い、短冊状に切断した熱可塑性液晶ポリマーフィルムの一端を固定し、もう一端に引張の荷重を付与し、一定昇温速度で加熱した時の膨張量を計測する。例えば、室温（２５℃）での熱可塑性液晶ポリマーフィルムの引張荷重方向の長さをＬ０（ｍｍ）、加熱時の熱可塑性液晶ポリマーフィルムの長さをＬ１（ｍｍ）、加熱温度をＴ２（℃）とし、室温をＴ１（℃）とすると、熱膨張係数αＬは以下の式で算出できる。
αＬ＝［（Ｌ１−Ｌ０）／（Ｔ２−Ｔ１）］／Ｌ０（ｐｐｍ／℃）
なお、絶縁層の供試サンプルとなる熱可塑性液晶ポリマーフィルムが入手できない場合は、回路基板から回路部分などを除去したフィルム状物を供試サンプルとして利用してもよい。
［分子配向度ＳＯＲ］
絶縁層の供試サンプルとして、熱可塑性液晶ポリマーフィルムを利用した。マイクロ波分子配向度測定機において、熱可塑性液晶ポリマーフィルムを、マイクロ波の進行方向にフィルム面が垂直になるように、マイクロ波共振導波管中に挿入し、該フィルムを透過したマイクロ波の電場強度（マイクロ波透過強度）を測定する。そして、この測定値に基づいて、次式により、ｍ値（屈折率と称する）を算出する。
ｍ＝（Ｚｏ／△ｚ） Ｘ ［１−νmax／νｏ］
ここで、Ｚｏは装置定数、△ｚは物体の平均厚、νmaxはマイクロ波の振動数を変化させたとき、最大のマイクロ波透過強度を与える振動数、νｏは平均厚ゼロのとき（すなわち物体がないとき）の最大マイクロ波透過強度を与える振動数である。
次に、マイクロ波の振動方向に対する物体の回転角が０°のとき、つまり、マイクロ波の振動方向と、物体の分子が最もよく配向されている方向であって、最小マイクロ波透過強度を与える方向とが合致しているときのｍ値をｍ０、回転角が９０°のときのｍ値をｍ９０として、分子配向度ＳＯＲをｍ０／ｍ９０により算出した。
なお、絶縁層の供試サンプルとなる熱可塑性液晶ポリマーフィルムが入手できない場合は、回路基板から回路部分などを除去したフィルム状物を供試サンプルとして利用してもよい。
［比誘電率］
比誘電率は周波数１ＧＨｚで共振摂動法により測定した。ネットワークアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製「Ｅ８３６２Ｂ」）に１ＧＨｚの空洞共振器（（株）関東電子応用開発）を接続し、空洞共振器に微小な供試サンプル（幅：２ｍｍ×長さ：９０ｍｍ）を挿入し、挿入前後の共振周波数の変化から材料の比誘電率を測定した。
なお、絶縁層の供試サンプルとして積層前フィルムが入手できる場合は積層前フィルムを用い、積層前フィルムが入手できない場合は、回路基板から回路部分などを除去したフィルム状物を供試サンプルとして利用してもよい。
［吸水率］
カールフィッシャー法（カールフィッシャー滴定の原理を利用し、水分を溶媒に吸収させ電位差の変化により水分を測定する方法）に基づき、微量水分測定装置（（株）三菱ケミカルアナリテック製 カールフィッシャーＶＡ−１００）を用いて、７．０〜１．５ｇの供試サンプルを幅３ｍｍ、長さ１０ｍｍにカットして試料ポートに投入し、以下の条件で測定して得られた値を供試サンプルの吸水率とした。
・加熱温度：３００℃
・Ｎ２パージ圧：０．２ＭＰａ
・測定準備（自動）
Ｐｕｒｇｅ １分
Ｐｒｅｈｅａｔ ２分 試料ボード空焼き
Ｃｏｏｌｉｎｇ ４分 試料ボード冷却
・測定
滴定セル内溜め込み時間（Ｎ２で水分を送り出す時間）：１５分
なお、絶縁層の供試サンプルとして積層前フィルムが入手できる場合は積層前フィルムを用い、積層前フィルムが入手できない場合は、回路基板から回路部分などを除去したフィルム状物を供試サンプルとして利用してもよい。
［体積抵抗率］
ＪＩＳ Ｋ ６９１１（２００６）を参考にして、供試サンプル（絶縁層）の体積抵抗率を測定した。
［絶縁破壊電圧］
ＪＩＳ Ｃ ２１５１（２００６）を参考にして、供試サンプル（絶縁層）の絶縁破壊電圧を測定した。
［高温下での絶縁破壊の有無］
８０℃の温度条件において、１００ｋＶ／ｍｍ、１００ｋＨｚで印加した際に、電流値の急激な増加の有無により絶縁破壊の有無を判断することが可能である。
（実施例１）
ｐ−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸の共重合物（モル比：７３／２７）を溶融押出し、インフレーション成形法により、融点が３１０℃、熱膨張係数が１８ｐｐｍ／℃、膜厚が１００μｍ、ＳＯＲが１．０２のフィルムを得た。
次いで、フィルムの一方の面に厚さ１８μｍの電解銅箔（熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃）を、他方の面に厚さ１００μｍのアルミシートを重ねあわせ、これらを重ね合わせた状態で、真空プレス装置により４ＭＰａの圧力下、３００℃で熱圧着して、電解銅箔／熱可塑性液晶ポリマーフィルム／アルミシートの積層体を作製した。得られた積層体の電解銅箔に対して感光性レジスト処理、露光、エッチング加工を行って回路配線をプリントし、絶縁層として熱可塑性液晶ポリマーフィルムを備え、絶縁層の一方の面に回路層を、他方の面に放熱面状部材（アルミシート）を備える回路基板を作製した。得られた回路基板の物性を表７に示す。
さらに、アルミシートに対して放熱部材（アルミヒートシンク）を放熱用熱伝導シリコングリースにより接着し、放熱部材を有する回路基板を得た。この回路基板では、アルミシートに加えてさらにアルミヒートシンクを放熱部材として備えるため、放熱性を向上することができる。
（比較例１）
厚さ２．０ｍｍのアルミニウム製の金属ベース基板上に、エポキシ樹脂（絶縁樹脂）中に平均粒径５．０μｍのＡｌ２Ｏ３（アルミナ）粒子を無機充填材として７０ｖｏｌ％分散させた複合絶縁層を硬化後の厚さで約２００μmとなるように塗布形成した。この複合絶縁層の比誘電率は５．０であった。
そして、この複合絶縁層上に厚さ１０５μmの電解銅箔（導体回路）を貼り合わせた後、１５０℃で５時間熱処理し複合絶縁層を硬化させた。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の回路基板を得た。得られた回路基板の物性を表７に示す。
（比較例２）
ポリイミドフィルム（厚み１００μｍ、融点なし、東レ・デュポン（株）製、「カプトン」）の一方の面に厚さ８μｍの電解銅箔（熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃）を、他方の面に厚さ１００μｍのアルミシートを接着剤を介して積層した。得られた積層体の電解銅箔に対して感光性レジスト処理、露光、エッチング加工を行って回路配線をプリントし、絶縁層としてポリイミドフィルムを備え、絶縁層の一方の面に回路層を、他方の面に放熱面状部材（アルミシート）を備える回路基板を作製した。得られた回路基板の物性を表７に示す。
Figure 2020116306
表７に示すように、実施例１では、比較例１と比べて比誘電率が低く、さらに吸水率も極めて低い値である。また、実施例１では、吸湿前後での体積抵抗率は同等の値を示しており、比較例１および２では、１オーダーまたは２オーダーで体積抵抗率が変化することと比較すると、体積抵抗率の変化率が極めて小さい。さらに、実施例１の吸湿後の体積抵抗率は、比較例１および２のいずれよりも大きい値を示している。
また、絶縁破壊電圧についても、実施例１は比較例１と比べて倍以上高い値まで絶縁破壊を起こすことがなく、さらに、吸湿後であっても、絶縁破壊電圧は変化することなく高い値を示している。さらに、実施例１では高電圧・高温下で短パルスでの印加を行った場合であっても、絶縁破壊が発生しない。
一方、比較例１は実施例１と比べて極めて比誘電率が高く、比較例２は実施例１と比べて極めて吸水率が高い。また、比較例１および２の双方において、吸湿後は体積抵抗率が大きく変化し、いずれも実施例１よりも低い体積抵抗率を示している。また、絶縁破壊電圧についても、比較例１は実施例１よりも大幅に小さい値を示しており、比較例２は吸湿後の絶縁破壊電圧が実施例１よりも小さい値を示している。さらに、比較例１および２では、高電圧・高温下で短パルスでの印加を行った場合に、絶縁破壊が発生する。
本発明の高電圧用回路基板は、高電圧下における絶縁信頼性が高いため、高電圧下で使用する各種用途に適している。例えば、本発明の高電圧用回路基板は、インバータ、コンバータ、発振器、サーボアンプ、およびアクチュエータなどの高電圧デバイス、特に高電圧用回路基板とパワー半導体素子とを備える、パワー半導体デバイスに有用に用いられる。
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施例を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

Claims (10)

  1. 絶縁層と、高電圧用の回路層とを備える回路基板であって、
    前記絶縁層が、熱可塑性液晶ポリマーで構成される、高電圧用回路基板。
  2. 請求項１において、絶縁層の１ＧＨｚにおける比誘電率が３．５以下である、高電圧用回路基板。
  3. 請求項１または２において、さらに絶縁層からの熱を放熱するための放熱部材を備える、高電圧用回路基板。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項において、絶縁層が、無機充填材を含まない樹脂単体絶縁層である、高電圧用回路基板。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項において、絶縁層の厚さが、２５〜１０００μｍである、高電圧用回路基板。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項において、絶縁層の分子配向度ＳＯＲが０．８〜１．４である、高電圧用回路基板。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項において、パルス制御基板として用いられる、高電圧用回路基板。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項において、パワー半導体デバイスに用いられる、高電圧用回路基板。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の高電圧用回路基板と電子素子とを備える、高電圧デバイス。
  10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の高電圧用回路基板とパワー半導体素子とを備える、パワー半導体デバイス。
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