WO2010092905A1 - 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

絶縁回路基板、インバータ装置、及びパワー半導体装置 Download PDF

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insulating
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順平 楠川
啓紀 松本
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to an insulating circuit board excellent in electrical insulation, and more particularly to a technique applied to a power control device such as an inverter device or a power semiconductor device.
  • an inverter device or a power semiconductor device configured by mounting an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a semiconductor element such as a diode, and circuit components such as a resistor and a capacitor on an insulated circuit board is known.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • These power control devices are applied to various devices according to their withstand voltage and current capacity.
  • the use of these power control devices for various electric machines is increasing year by year.
  • These power control devices are required to have a high voltage and a small size and high density in order to realize a large capacity and a small space.
  • Insulating circuit boards used for inverter devices and power semiconductor devices have been used for applications where a relatively low voltage of about several hundred volts is applied in the past, but in recent years due to demands for energy saving and large capacity, A high voltage of 1 kV or higher has been applied. Accordingly, the insulating circuit board is required to have a high heat dissipation property. For this reason, a high filling of the inorganic filler in the insulating layer and a thinning of the insulating layer are being studied. However, when the thickness of the insulating layer is reduced, there is a problem that dielectric breakdown occurs in a short time.
  • Patent Document 1 As a known technique that achieves both heat dissipation characteristics and dielectric breakdown resistance in the insulating layer, there is the following (for example, see Patent Document 1). That is, a technique is known in which a surface layer in contact with a conductor circuit in an insulating layer is filled with an inorganic filler having a high dielectric constant such as conductive fine particles or BaTiO 3, and the dielectric constant of the opposite layer is increased. (For details, see the description related to Comparative Example 2 below.)
  • An object of the present invention is to provide an insulating circuit board with high insulation reliability and a related technique using the insulating circuit board.
  • the insulated circuit board according to claim 1 of the present invention is an insulated circuit board in which a conductor circuit is formed on a metal base substrate via an insulating layer, and the insulating layer has an interface with the conductor circuit.
  • a plurality of layers including at least a composite insulating layer that is formed and an inorganic filler is dispersed in an insulating resin and a resin single-layer insulating layer that does not include the inorganic filler are stacked.
  • the first cause of dielectric breakdown when an AC high voltage is applied to the insulating circuit board and the second cause of dielectric breakdown when a DC high voltage is applied to the insulated circuit board are obtained. Can be resolved at the same time.
  • an insulated circuit board with high insulation reliability and related technology using this insulated circuit board are provided.
  • FIG. 1 shows sectional drawing of the insulated circuit board which concerns on embodiment of this invention
  • (b) is another modification.
  • (A) is the insulated circuit board which concerns on the comparative example 1 with which the composite insulating layer was independently provided in the metal base board
  • (b) (c) is an enlarged view of the periphery of the conductor circuit in the comparative example 1. It is a figure explaining the cause which applies a high voltage to an insulated circuit board and leads to a dielectric breakdown. It is sectional drawing of the insulated circuit board which concerns on the comparative example 2 corresponding to patent document 1.
  • FIG. It is a figure explaining the cause which leads to the dielectric breakdown by use in the environment of high temperature, high humidity of the insulated circuit board of FIG.
  • Example 1 In order to confirm the effect of the present invention, an insulation circuit board according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 was created, and the test results show the respective insulation performance.
  • 4 is a graph of a high-temperature and high-humidity bias test of an insulating circuit board according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.
  • FIG. 1A shows a cross-sectional view of an insulated circuit board 12A according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B shows an insulated circuit board 12B which is another modification.
  • the insulating circuit board 12 ⁇ / b> A has a conductor circuit 4 formed on a metal base substrate 1 with an insulating layer 2 interposed therebetween.
  • the insulated circuit board 12 configured as described above is particularly suitable for an application in which the amount of heat generated by the electric circuit is increased by applying a high voltage, such as an inverter device or a power semiconductor device.
  • the metal base substrate 1 is made of a good heat conductor material such as an aluminum plate or a copper plate. As a result, the heat generated in the power semiconductor element and the Joule heat generated by the current flowing through the conductor circuit 4 pass through the insulating layer 2 and are radiated from the metal base substrate 1 to the outside.
  • the insulating layer 2 has a configuration in which a composite insulating layer 2a and a single resin insulating layer 2b are laminated, and is disposed between the metal base substrate 1 and the conductor circuit 4 to electrically insulate them. . Furthermore, the insulating layer 2 needs to have high heat resistance against the heat generation of the conductor circuit 4 and high heat transferability for transmitting the heat generation to the metal base substrate 1.
  • the range of the thickness of the insulating layer 2 is desirably included in the range of 100 ⁇ m to 500 ⁇ m. This is because when the thickness is 100 ⁇ m or less, the electrical insulating property is lowered, and when the thickness is 500 ⁇ m or more, the heat dissipation property is lowered.
  • the composite insulating layer 2 a is a surface layer having a laminated structure of the insulating layer 2, and forms an interface with the conductor circuit 4. And this composite insulating layer 2a is comprised by disperse
  • the insulating resin 7 is a resin mainly composed of an epoxy resin, a resin mainly composed of a polyimide resin, a resin mainly composed of a silicone resin, a resin mainly composed of an acrylic resin, or a resin mainly composed of a urethane resin. Any one of these compounds, or a modified product, or a mixture thereof may be constituted.
  • the inorganic filler 8 includes Al 2 O 3 (alumina), SiO 2 (silica), AlN (aluminum nitride), BN (boron nitride), ZnO (zinc oxide), SiC (silicon carbide), It is composed of any compound of Si 3 N 4 (silicon nitride) or a mixture thereof.
  • the composite insulating layer 2a is preferably obtained by dispersing and mixing silica and alumina in an epoxy resin.
  • the composite insulating layer 2a electrical insulation and thermal conductivity are improved as compared with the resin single-layer insulating layer 2b made of only the insulating resin 7 that does not include the inorganic filler 8.
  • the effect of improving the dielectric constant is exhibited (see FIG. 5).
  • the conductor circuit 4 is where a control current controlled by a power control device (not shown) (an inverter device, a power semiconductor device, etc.) on which the insulating circuit board 12 is mounted is mainly conducted.
  • a method of creating the conductor circuit 4 on the surface of the insulating layer 2 is as follows. First, the surface of a metal foil (copper foil or the like) is roughened, and the treated surface and the surface of the insulating layer 2 are bonded together. Next, unnecessary portions other than the pattern portion of the conductor circuit 4 are removed by chemical etching. Thereafter, if necessary, metal plating (not shown) such as nickel is performed to obtain the conductor circuit 4.
  • the single resin insulating layer 2b is composed of only a non-conductive polymer material excluding inevitable impurities. Specifically, the same material as the insulating resin 7 may be used, but it may be composed of other exemplified compounds. However, it is necessary to prevent the relative dielectric constant from becoming larger than that of the composite insulating layer 2a by selecting a compound constituting the single resin insulating layer 2b.
  • the thickness of the single resin insulating layer 2b is within the range of 20 ⁇ m to 100 ⁇ m. If the thickness of the single resin insulating layer 2b is less than 20 ⁇ m, the generation of the migration 10 (see FIG. 2C) described later cannot be effectively prevented. On the other hand, if the thickness is larger than 100 ⁇ m, the heat generation of the conductor circuit 4 is prevented from transferring heat to the metal base substrate 1 and the heat dissipation is reduced.
  • This insulating circuit board 12B is different from the insulating layer 2 of the insulating circuit board 12A (FIG. 1 (a)) constituted by two layers in that the insulating layer 2 'is constituted by three layers.
  • the insulating layer 2 'of the insulating circuit board 12B has a structure in which a single resin insulating layer 2b is sandwiched between two opposing composite insulating layers 2a and 2c.
  • the insulating layers 2 and 2 ′ constituting the insulating circuit substrate 12 include other layers (composite layers) as long as they include at least the composite insulating layer 2 a that forms the interface with the conductor circuit 4 and the single resin insulating layer 2 b.
  • the object of the invention is achieved even if the insulating layer 2c) is present.
  • FIG. 2A shows an insulated circuit board 13 according to Comparative Example 1 in which the composite insulating layer 2a is provided on the metal base board 1 alone.
  • FIGS. 2B and 2C are enlarged views of the periphery of the conductor circuit 4 in Comparative Example 1, and are diagrams for explaining the cause of the breakdown due to the application of a high voltage to the insulating circuit board 13.
  • the first cause of dielectric breakdown will be described.
  • the electric field formed between the metal base substrate 1 and the composite insulating layer 2a is thicker. And get bigger.
  • the conductor circuit 4 has a roughened interface with the composite insulating layer 2a (not shown) and is formed by chemical etching, so that the end portion (the rising portion from the composite insulating layer 2a) is formed. ) Has a sharp and sharp shape as shown in the figure.
  • the electric field is particularly concentrated and a high alternating electric field is applied to the composite insulating layer 2a in the vicinity of this end of the conductor circuit 4. Then, a partial discharge is generated by this high AC electric field, and a dendritic discharge deterioration trace called a tree 9 is formed in the composite insulating layer 2a. Close.
  • the composite insulating layer 2a is composed of the insulating resin 7 filled with the inorganic filler 8 at a high density as described above.
  • the composite insulating layer 2a has a property of easily absorbing moisture.
  • the present invention has excellent withstand voltage characteristics and hardly causes dielectric breakdown.
  • the dielectric constant ⁇ a of the composite insulating layer 2a is configured to be larger than the dielectric constant ⁇ b of the single resin insulating layer 2b ( ⁇ a> ⁇ b). In this way, by stacking the insulating layers 2a and 2b having different dielectric constants, the voltage shared by the composite insulating layer 2a having a large dielectric constant is reduced, and the electric field concentration at the end of the conductor circuit 4 is reduced. be able to. Thereby, the formation of the tree 9 (see FIG. 2B) is suppressed, and the first cause of dielectric breakdown can be eliminated.
  • the presence of the single resin insulating layer 2b prevents the growth even if migration 10 (see FIG. 2C) occurs in the composite insulating layer 2a. It is difficult to reach the metal base substrate 1. As a result, the second cause of dielectric breakdown can be eliminated.
  • the insulating circuit board 12 described above is applied to a power control device such as an inverter device and a power semiconductor device (not shown) in which circuit components (not shown) are mounted on the conductor circuit 4.
  • the inverter device electrically generates AC power from DC power (has a function of reverse conversion).
  • the power semiconductor device is characterized by higher withstand voltage, higher current, higher speed and higher frequency than ordinary semiconductor elements, generally called power devices, rectifier diodes, power transistors, Examples include a power MOSFET, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a thyristor, a gate turn-off thyristor (GTO), and a triac.
  • Example 1 corresponding to FIG. 1 (a), Example 2 corresponding to FIG. 1 (b), and FIG. 2 (a).
  • Insulating circuit boards 12A, 12B, 13, and 14 according to Comparative Example 1 corresponding to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 corresponding to FIG. 3 (Patent Document 1) were prepared, and their insulating performances were compared.
  • Example 1 On a metal base substrate 1 made of aluminum having a thickness of 2.0 mm, a single resin insulating layer 2b of a single epoxy resin is applied and formed so that the thickness after curing is about 50 ⁇ m.
  • the single dielectric insulating layer 2b had a relative dielectric constant of 3.6.
  • a composite insulating layer in which Al 2 O 3 (alumina) particles having an average particle diameter of 5.0 ⁇ m are dispersed as an inorganic filler 8 in an epoxy resin (insulating resin 7) on the resin single insulating layer 2b in an amount of 70 vol%. 2a was applied and formed so that the thickness after curing was about 150 ⁇ m.
  • the relative dielectric constant of the composite insulating layer 2a was 8.0.
  • the insulating layer 2 is cured by heat treatment at 150 ° C. for 5 hours. To be about 200 ⁇ m. Thereafter, unnecessary portions were removed by etching so that the electrolytic copper foil became the conductor circuit 4, thereby producing an insulating circuit board 12A.
  • Example 2 On an aluminum metal base substrate 1 having a thickness of 2.0 mm, 70 vol% of Al 2 O 3 (alumina) particles having an average particle diameter of 5.0 ⁇ m are dispersed as an inorganic filler 8 in an epoxy resin (insulating resin 7).
  • the composite insulating layer 2c was applied and formed so that the thickness after curing was about 75 ⁇ m.
  • the relative dielectric constant of the composite insulating layer 2c was 8.0.
  • an Al 2 O 3 (alumina) particle having an average particle diameter of 5.0 ⁇ m in an epoxy resin (insulating resin 7) is similarly applied to an inorganic filler 8 on an electrolytic copper foil (conductor circuit 4) having a thickness of 105 ⁇ m.
  • the composite insulating layer 2a dispersed as 70 vol% was applied and formed so that the thickness after curing was about 75 ⁇ m.
  • the relative dielectric constant of this composite insulating layer 2a was 8.0.
  • a single resin insulating layer 2b of a single silicone resin was applied and formed on the composite insulating layer 2c on the metal base substrate 1 so that the thickness after curing was about 50 ⁇ m.
  • the relative dielectric constant of the single resin insulating layer 2b was 2.4.
  • an electrolytic copper foil on which the composite insulating layer 2a is formed is bonded onto the single resin insulating layer 2b so that the composite insulating layer 2a and the single resin insulating layer 2b are in contact with each other, followed by heat treatment at 150 ° C. for 5 hours.
  • the insulating layer 2 was cured. Thereafter, unnecessary portions other than the circuit were removed by etching so that the electrolytic copper foil became a test circuit, and an insulated circuit board 12B was produced.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a conventional insulated circuit board.
  • an aluminum metal base substrate 1 having a thickness of 2.0 mm
  • 70 vol% of Al 2 O 3 (alumina) particles having an average particle diameter of 5.0 ⁇ m are dispersed as an inorganic filler 8 in an epoxy resin (insulating resin 7).
  • the composite insulating layer 2a was applied and formed so that the thickness after curing was about 200 ⁇ m.
  • the relative dielectric constant of the composite insulating layer 2a was 8.0.
  • the relative dielectric constant of the high dielectric insulating layer 6 was 15. Further, an electrolytic copper foil (conductor circuit 4) having a thickness of 105 ⁇ m is bonded onto the high dielectric insulating layer 6, and then heat-treated at 150 ° C. for 5 hours to cure the insulating layers 2a and 6 to form a total insulating layer. The thickness was about 200 ⁇ m. Then, unnecessary portions other than the conductor circuit 4 were removed by etching so that the electrolytic copper foil became a test circuit, and the insulated circuit board 14 according to Comparative Example 2 was created.
  • Example 2 Comparative Example 1 and Comparative Example 2
  • the following (1) partial discharge test, (2) dielectric breakdown test, and (3) electrical degradation Life test and (4) high temperature and high humidity bias test were conducted.
  • the measurement result of the partial discharge start voltage of the insulated circuit boards 12A, 12B, 13, and 14 is shown in item (1) of the table shown in FIG.
  • the partial discharge start voltages of Example 1 and Example 2 are 1.8 kV and 2.0 kV, respectively, and the partial discharge start voltage is improved compared to 1.2 kV of Comparative Example 1. did.
  • the partial discharge voltage of Comparative Example 2 is 1.8 kV, and the same effects as those of Example 1 and Example 2 are obtained.
  • the item (2) in the table shown in FIG. 5 shows the dielectric breakdown test results (withstand voltage test results) of the insulated circuit boards 12A, 12B, 13, and 14.
  • the breakdown voltages of Example 1 and Example 2 are 7.5 kV and 8.0 kV, respectively, and the breakdown voltage (withstand voltage) compared to 6.4 kV of Comparative Example 1 is shown. Improved.
  • the dielectric breakdown voltage of Comparative Example 2 is 7.6 kV, and the same effects as those of Example 1 and Example 2 are obtained.
  • Electricity degradation life test A constant temperature chamber in which the temperature can be set for the created insulation circuit boards 12A, 12B, 13, and 14 for the tests of Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 Using the withstand voltage tester attached, an electrical degradation life test was conducted. In this electrical degradation life test, the insulation circuit boards 12A, 12B, 13, and 14 for testing are placed in an insulation case, and an epoxy sealing resin is injected into the case and cured, so that the insulation circuit boards 12A, 12B, 13, and 14 are cured. The whole was sealed.
  • the sealed insulated circuit boards 12A, 12B, 13, and 14 are placed in a thermostatic chamber set at 120 ° C., and an AC voltage of 3 kV is applied between the conductor circuit 4 and the metal base board 1, The time until dielectric breakdown was measured.
  • the item (3) shown in FIG. 5 shows the results of the electrical degradation test (lifetime) of each of the insulated circuit boards 12A, 12B, 13, and 14.
  • the electrical deterioration life time of Example 1 and Example 2 is 290 hours and 421 hours, respectively, and the life time until dielectric breakdown is compared with 49 hours of Comparative Example 1. It became long.
  • the electrical degradation life time of Comparative Example 2 is 253 hours, and the same effects as those of Example 1 and Example 2 are obtained.
  • Temperature and humidity can be set for the created insulated circuit boards 12A, 12B, 13, and 14 for the tests of Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
  • a high-temperature and high-humidity bias test was performed using a withstand voltage tester equipped with a constant temperature and humidity chamber.
  • each test insulating circuit board 12A, 12B, 13, 14 is directly placed in a constant temperature and humidity chamber set to 85 ° C./85% RH, and the conductor circuit 4 and the metal base board 1
  • a DC voltage of 1 kV was applied during the measurement to measure the insulation resistance.
  • the time when the insulation resistance of the insulating layer 2 between the conductor circuit 4 and the metal base substrate 1 was 1 M ⁇ or less was defined as the insulation life, and the time until this insulation life was reached was measured.
  • FIG. 6 shows a graph of the high-temperature and high-humidity bias test for each of the insulated circuit boards 12A, 12B, 13, and 14.
  • the change over time of the measured insulation resistance is recorded.
  • the insulation resistance of each of the insulated circuit boards 12A, 12B, 13, and 14 tends to decrease with time.
  • the measured value of the insulation resistance was maintained at 1000 M ⁇ or more even after 2000 hours from the end of the test, and no dielectric breakdown was observed.
  • Comparative Example 1 the insulation resistance reached the 100 M ⁇ level when the test time was 500 hours, and the insulation life reached about 1700 hours from the start of the test.
  • the insulation resistance decreased to a level of 100 M ⁇ at a test time of 200 hours, and a level of 10 M ⁇ at a time of 700 hours, and the insulation life reached about 1300 hours from the start of the test.
  • Example 1, Example 2, Comparative Example 2 The test results of the above examples and comparative examples are summarized as follows. From the (1) partial discharge test, (2) dielectric breakdown test, and (3) electrical charging deterioration life test, only the result of Comparative Example 1 is defective, and the others (Example 1, Example 2, Comparative Example 2) The result was good. Thus, in Example 1, Example 2, and Comparative Example 2, it can be said that generation of the tree 9 due to application of a high-voltage AC voltage is effectively suppressed. (4) From the high temperature and high humidity bias test, the results of Example 1 and Example 2 were good, and the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were poor.
  • Example 1 and Example 2 it can be said that the occurrence of migration 10 is effectively suppressed even when a high-voltage DC voltage is applied in a high-temperature and high-humidity environment.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 (corresponding to the invention of publicly known document 1), it has been found that it is difficult to prevent the migration 10 from occurring in a high temperature / high humidity environment (see FIG. 4).
  • Comparative Example 2 it was confirmed that the insulation reliability in a high temperature and high humidity environment was lower than that of Comparative Example 1 which is a simple type.
  • the generation of the tree 9 and the migration 10 is effectively prevented by the insulating layer 2 having the laminated structure of the composite insulating layer 2a and the single resin insulating layer 2b.

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Abstract

　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。　本発明に関わる絶縁回路基板は、金属ベース基板(１)上に絶縁層(２)を介して導体回路(４)が形成されている絶縁回路基板(１２)において、絶縁層(２)は、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。

Description

絶縁回路基板、インバータ装置、及びパワー半導体装置
　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。
　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）。
特開平６－１５２０８８号公報
　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。
　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。
　本発明の請求の範囲第１項に関わる絶縁回路基板は、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。
　本発明の請求の範囲第１項に関わる絶縁回路基板によれば、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。
（ａ）は本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の断面図を示し、（ｂ）は他の変形例である。 （ａ）は複合絶縁層が単独で金属ベース基板に設けられている比較例１に係る絶縁回路基板であり、（ｂ）（ｃ）は比較例１における導体回路の周辺の拡大図であって絶縁回路基板に高電圧を印加して絶縁破壊に至る原因を説明する図である。 特許文献１に対応する比較例２に係る絶縁回路基板の断面図である。 図３の絶縁回路基板の高温高湿の環境下での使用による絶縁破壊に至る原因を説明する図である。 本発明の効果を確認するために、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２に係る絶縁回路基板を作成して、それぞれの絶縁性能を示す試験結果である。 実施例１、実施例２、比較例１、比較例２に係る絶縁回路基板の高温高湿バイアス試験のグラフである。
　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。
　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。
　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。
　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）。
　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。
　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。
　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。
　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（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
（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。
（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。
（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。
（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。
　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。
　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。
　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、この絶縁寿命に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。
　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　　　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

Claims (6)

  1. 　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。
  2. 　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の範囲第１項に記載の絶縁回路基板。
  3. 　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の範囲第１項に記載の絶縁回路基板。
  4. 　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の範囲第１項に記載の絶縁回路基板。
  5. 　請求の範囲第１項から第４項のいずれか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。
  6. 　請求の範囲第１項から第４項のいずれか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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