(57)【要約】【課題】耐電圧性に特に優れた絶縁回路基板、及び、この絶縁回路基板の製造方法を提供する。【解決手段】絶縁層１１と、絶縁層１１の一方の面に形成された回路層１５と、を備えた絶縁回路基板１０であって、絶縁層１１は、複数のセラミックス層１２（１２ａ，１２ｂ）が絶縁樹脂層１３を介して積層された構造とされ、最表層に位置するセラミックス層１２ａに回路層１５が形成されており、絶縁樹脂層１３は、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層と、絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記絶縁層は、複数のセラミックス層が絶縁樹脂層を介して積層された構造とされ、最表層に位置する前記セラミックス層に前記回路層が形成されており、
前記絶縁樹脂層は、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成されていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項２】
前記絶縁層の前記回路層とは反対側の面に金属層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。
【請求項３】
前記絶縁樹脂層の厚さが２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶縁回路基板。
【請求項４】
前記セラミックス層の厚さが０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。
【請求項５】
一のセラミックス板に回路層を形成する回路層形成工程と、
回路層が形成されたセラミックス板と、別のセラミックス板と、を、無機フィラー及び熱硬化型樹脂を含有する樹脂組成物を介して積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス板と前記樹脂組成物を積層方向に加圧するととともに加熱し、樹脂組成物及を硬化させて絶縁樹脂層を形成するとともに前記セラミックス板同士を接合することにより、絶縁層を形成する樹脂硬化工程と、
を備えていることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項６】
他のセラミックス板に金属層を形成する金属層形成工程を有し、前記積層工程では、少なくとも回路層が形成されたセラミックス板と金属層が形成されたセラミックス板とを、前記樹脂組成物を介して積層することを特徴とする請求項５に記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項７】
前記樹脂硬化工程では、硬化前の前記樹脂組成物の厚さｔ０と硬化後の前記絶縁樹脂層の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が０．８以下となるように、積層方向へ加圧することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の絶縁回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
上述の絶縁回路基板として、例えば特許文献１に記載された金属ベース回路基板が提案されている。
【０００３】
特許文献１に記載された金属ベース回路基板においては、金属基板上に絶縁樹脂層が形成され、この絶縁樹脂層上に回路パターンを有する回路層が形成されている。ここで、絶縁樹脂層は、熱硬化型樹脂であるエポキシ樹脂で構成されており、回路層は、銅箔で構成されている。
この金属ベース回路基板においては、回路層上に半導体素子が接合され、金属基板の絶縁樹脂層とは反対側の面にヒートシンクが配設されており、半導体素子で発生した熱をヒートシンク側に伝達して放熱する構造とされている。
【０００４】
また、上述の絶縁回路基板として、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたものが提案されている。
例えば、特許文献２には、回路層に搭載した素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、セラミックス基板の前記回路層とは反対側の面に金属層を設けるとともに、この金属層にＡｌＳｉＣ系複合材料からなるヒートシンクが積層接着されたものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２０７６６６号公報
【特許文献２】特開平１０−０６５０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載された絶縁回路基板（金属ベース回路基板）においては、絶縁層が樹脂で構成されていることから、絶縁性が不十分となり、絶縁回路基板としての耐電圧性が確保できないおそれがあった。特に、高電圧が負荷される用途においては、耐電圧性に不安があり、適用することが困難であった。
【０００７】
一方、特許文献２に示すように、絶縁層をセラミックス基板で構成した場合に、樹脂で構成された絶縁層よりは耐電圧性に優れている。
しかしながら、最近では、従来にも増して高い電圧で使用されることがあり、さらなる耐電圧性の向上が求められている。
【０００８】
ここで、耐電圧性を向上させるために、セラミックス基板の厚さを厚くすることが考えられるが、セラミックス基板の厚さを単に厚くしても耐電圧性の向上には限界があった。
すなわち、絶縁破壊は、最も弱い部分が全体の破壊を招く最弱リンクモデルで説明される。ここで、セラミックス基板の厚さを厚くすると、ボイド等の欠陥が存在する確率が高くなるため、セラミックス基板を厚くしても十分な耐電圧性を得ることができなかった。
【０００９】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、耐電圧性に特に優れた絶縁回路基板、及び、この絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、本発明の絶縁回路基板は、絶縁層と、絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記絶縁層は、複数のセラミックス層が絶縁樹脂層を介して積層された構造とされ、最表層に位置する前記セラミックス層に前記回路層が形成されており、前記絶縁樹脂層は、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成されていることを特徴としている。
【００１１】
この構成の絶縁回路基板によれば、絶縁層は、複数のセラミックス層が絶縁樹脂層を介して積層された構造とされているので、１つのセラミックス層の厚さを厚くする必要がないため、セラミックス層の内部に欠陥が存在する確率を低く抑えることができる。そして、複数のセラミックス層を、絶縁樹脂層を介して積層しているので、セラミックス層と絶縁樹脂層とによって、耐電圧性を大幅に向上させることができる。
また、絶縁樹脂層が、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成されているので、絶縁樹脂層における熱抵抗を小さくすることができ、放熱特性に優れた絶縁回路基板を得ることができる。
【００１２】
ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記絶縁層の前記回路層とは反対側の面に金属層が形成されていることが好ましい。
この場合、前記絶縁層の他方の面（回路層とは反対側の面）に金属層が形成されているので、絶縁回路基板における反りの発生を抑制することができる。また、この金属層を介して効率的に放熱することができる。
【００１３】
また、本発明の絶縁回路基板においては、前記セラミックス層の間に介在する前記絶縁樹脂層の厚さが２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記絶縁樹脂層の厚さが２０μｍ以上とされているので、耐電圧性をさらに向上させることができる。一方、前記絶縁樹脂層の厚さが１５０μｍ以下とされているので、厚さ方向の熱抵抗が高くなることを抑制できる。
【００１４】
また、本発明の絶縁回路基板においては、１つの前記セラミックス層の厚さが０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、１つの前記セラミックス層の厚さが０．３ｍｍ以上とされているので、絶縁性を確保することができる。一方、１つの前記セラミックス層の厚さが０．８ｍｍ以下とされているので、セラミックス層の内部に欠陥が存在する確率を確実に低減することができる。
【００１５】
本発明の絶縁回路基板の製造方法は、一のセラミックス板に回路層を形成する回路層形成工程と、回路層が形成されたセラミックス板と、別のセラミックス板と、を、無機フィラー及び熱硬化型樹脂を含有する樹脂組成物を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス板と前記樹脂組成物を積層方向に加圧するととともに加熱し、樹脂組成物を硬化させて絶縁樹脂層を形成するとともに前記セラミックス板同士を接合することにより、絶縁層を形成する樹脂硬化工程と、を備えていることを特徴としている。
【００１６】
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、回路層が形成されたセラミックス板と別のセラミックス板とを無機フィラー及び熱硬化型樹脂を含有する樹脂組成物を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス板と前記樹脂組成物を積層方向に加圧するととともに加熱して樹脂組成物を硬化させる樹脂硬化工程と、を備えているので、絶縁樹脂層を介してセラミックス板同士を接合することができ、複数のセラミックス層が絶縁樹脂層を介して積層された構造の絶縁層を形成することができる。これにより、耐電圧性に優れた絶縁回路基板を製造することができる。
【００１７】
ここで、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、他のセラミックス板に金属層を形成する金属層形成工程を有し、前記積層工程では、少なくとも回路層が形成されたセラミックス板と金属層が形成されたセラミックス板とを、前記樹脂組成物を介して積層することが好ましい。
この場合、複数のセラミックス層が絶縁樹脂層を介して積層された構造の絶縁層の他方の面（回路層とは反対側の面）に金属層が形成され、耐電圧性及び放熱特性に優れた絶縁回路基板を製造することができる。
【００１８】
また、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記樹脂硬化工程では、硬化前の前記樹脂組成物の厚さｔ０と硬化後の前記絶縁樹脂層の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が０．８以下となるように、積層方向へ加圧することが好ましい。
この場合、樹脂組成物を硬化させる際に十分に加圧することにより、樹脂組成物の厚さ中心まで確実に硬化させることができ、絶縁性に優れた絶縁樹脂層を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば耐電圧性に特に優れた絶縁回路基板、及び、この絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一の実施形態である絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの断面説明図である。
【図２】図１に示す絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。
【図３】図１に示す絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明の第二の実施形態である絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの断面説明図である。
【図５】図４に示す絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。
【図６】図４に示す絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。
【図７】他の実施形態である絶縁回路基板の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
【００２２】
（第一の実施形態）
図１に、本発明の第一の実施形態である絶縁回路基板１０、及び、この絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
【００２３】
このパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）にはんだ層３２を介して接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
【００２４】
はんだ層２、３２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。
【００２５】
ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な金属材料（銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等）や、金属含有複合材料（ＡｌＳｉＣ等）で構成されている。本実施形態においては、ＳｉＣの骨材にアルミニウム材料が充填されたアルミ含有複合材料（ＡｌＳｉＣ）で構成されている。なお、ヒートシンク３１の厚さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
また、このヒートシンク３１の表面には、骨材に充填されたアルミニウム材料からなるスキン層（図示なし）が形成されている。
【００２６】
本実施形態である絶縁回路基板１０は、図１に示すように、絶縁層１１と、この絶縁層１１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層１５と、絶縁層１１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層１６と、を備えている。
【００２７】
そして、絶縁層１１は、複数のセラミックス層１２が絶縁樹脂層１３を介して積層された構造とされている。本実施形態では、図１に示すように、２つのセラミックス層（第１セラミックス層１２ａ，第２セラミックス層１２ｂ）が絶縁樹脂層１３を介して積層されている。
【００２８】
ここで、第１セラミックス層１２ａ及び第２セラミックス層１２ｂは、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスで構成されている。
本実施形態では、第１セラミックス層１２ａ及び第２セラミックス層１２ｂは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。
また、第１セラミックス層１２ａ及び第２セラミックス層１２ｂの厚さは、それぞれ０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００２９】
２つのセラミックス層（第１セラミックス層１２ａ，第２セラミックス層１２ｂ）の間に介在する絶縁樹脂層１３は、無機フィラーを含有する絶縁性の熱硬化型樹脂で構成されている。
ここで、無機フィラーとしては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド等を用いることができる。
本実施形態では、絶縁樹脂層１３は、無機フィラーとしてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含有するエポキシ樹脂で構成されている。
【００３０】
ここで、絶縁樹脂層１３においては、無機フィラーの含有量は、全固形分重量に対して５０ｖｏｌ％以上８５ｖｏｌ％以下の範囲内とすることが好ましい。
また、本実施形態においては、絶縁樹脂層１３の厚さは、２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、この絶縁樹脂層１３単体での耐電圧特性は、１０ｋＶ／ｍｍｔ以上とされている。
また、絶縁樹脂層１３単体での熱伝導率は、３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の範囲内とすることが好ましい。
【００３１】
回路層１５は、絶縁層１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２５が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、図３に示すように、絶縁層１１の第１セラミックス層１２ａとなる第１セラミックス板２２ａの一方の面（図３において上面）に、銅又は銅合金からなる銅板２５が接合されることにより形成されている。
なお、本実施形態においては、回路層１５となる銅板２５は、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１５には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
また、回路層１５となる銅板２５の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００３２】
金属層１６は、絶縁層１１の他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２６が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、図３に示すように、絶縁層１１の第２セラミックス層１２ｂとなる第２セラミックス板２２ｂの他方の面（図３において下面）に、銅又は銅合金からなる銅板２６が接合されることにより形成されている。
なお、本実施形態においては、金属層１６となる銅板２６は、無酸素銅の圧延板が用いられている。
また、金属層１６となる銅板２６の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００３３】
以下に、本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図２及び図３を用いて説明する。
【００３４】
（回路層形成工程Ｓ０１）
図３に示すように、第１セラミックス層１２ａとなる第１セラミックス板２２ａの一方の面（図３において上面）に、回路層１５となる銅板２５を、いわゆる活性金属ろう付け法によって接合した。
本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材２７を用いた。
【００３５】
そして、第１セラミックス板２２ａと銅板２５をそれぞれ積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、第１セラミックス板２２ａと銅板２５を接合する。これにより、回路層１５が形成される。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は１５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００３６】
（金属層形成工程Ｓ０２）
また、第２セラミックス層１２ｂとなる第２セラミックス板２２ｂの他方の面（図３において下面）に、金属層１６となる銅板２６を、いわゆる活性金属ろう付け法によって接合した。
本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材２７を用いた。
【００３７】
そして、第２セラミックス板２２ｂと銅板２６をそれぞれ積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、第２セラミックス板２２ｂと銅板２６を接合する。これにより、金属層１６が形成される。
なお、接合条件は、回路層形成工程Ｓ０１と同様の条件で行うことが好ましい。
【００３８】
（積層工程Ｓ０３）
次に、回路層１５が形成された第１セラミックス板２２ａと、金属層１６が形成された第２セラミックス板２２ｂとを、無機フィラーとしてのアルミナと熱硬化型樹脂としてのエポキシ樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物２３を介して積層する。なお、本実施形態では、樹脂組成物２３は、シート状に形成されている。
このとき、第１セラミックス板２２ａのうち回路層１５が形成されていない面と、第２セラミックス板２２ｂのうち金属層１６が形成されていない面とが対向するように配置し、これらの間に、シート状の樹脂組成物２３を配設する。
【００３９】
（樹脂硬化工程Ｓ０４）
次に、第１セラミックス板２２ａと樹脂組成物２３と第２セラミックス板２２ｂとを、積層方向に加圧するとともに加熱して、樹脂組成物２３を硬化させて絶縁樹脂層１３を形成するとともに、第１セラミックス板２２ａと第２セラミックス板２２ｂとを接合して絶縁層１１を形成する。
本実施形態では、図３に示すように、押圧板５１，５１を介して、第１セラミックス板２２ａと樹脂組成物２３と第２セラミックス板２２ｂとを積層方向に加圧する構成とされている。このとき、樹脂組成物２３の全体を加圧できるように、押圧板５１，５１には回路層１５及び金属層１６の形状に応じた座繰り部が形成されている。
【００４０】
また、この樹脂硬化工程Ｓ０４においては、加熱温度が１２０℃以上１８０℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が１０分以上６０分以下の範囲内とされている。また、積層方向の加圧荷重が１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．９８ＭＰａ以上４．９０ＭＰａ以下）の範囲内とされている。
【００４１】
ここで、この樹脂硬化工程Ｓ０４においては、硬化前の樹脂組成物２３の厚さｔ０と硬化後の絶縁樹脂層１３の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が  ０．８以下となるように、第１セラミックス板２２ａと樹脂組成物２３と第２セラミックス板２２ｂとを積層方向に加圧することが好ましい。
【００４２】
上述した各工程によって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
【００４３】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
次に、この絶縁回路基板１０の金属層１６の他方の面にヒートシンク３１を接合する。本実施形態では、絶縁回路基板１０の金属層１６とヒートシンク３１とを、はんだ材を介して接合している。
【００４４】
（半導体素子接合工程Ｓ０６）
次に、絶縁回路基板１０の回路層１５に半導体素子３を接合する。本実施形態では、回路層１５と半導体素子３とを、はんだ材を介して接合している。
以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製造される。
【００４５】
以上のような構成とされた本実施形態である絶縁回路基板１０によれば、回路層１５と金属層１６との間を絶縁する絶縁層１１が、複数のセラミックス層１２（第１セラミックス層１２ａ及び第２セラミックス層１２ｂ）が絶縁樹脂層１３を介して積層された構造とされているので、１つのセラミックス層１２（第１セラミックス層１２ａ又は第２セラミックス層１２ｂ）の厚さを厚くする必要がないため、セラミックス層１２の内部に欠陥が存在する確率を低く抑えることができる。そして、複数のセラミックス層１２（第１セラミックス層１２ａ及び第２セラミックス層１２ｂ）を、絶縁樹脂層１３を介して積層しているので、セラミックス層１２と絶縁樹脂層１３とによって、耐電圧性を大幅に向上させることができる。
また、絶縁樹脂層１３が、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成されているので、絶縁樹脂層における熱抵抗を小さくすることができ、放熱特性に優れた絶縁回路基板１０を得ることができる。
【００４６】
また、本実施形態においては、絶縁層１１の回路層１５とは反対側の面に金属層１６が形成されているので、絶縁回路基板１０における反りの発生を抑制することができる。また、この金属層１６を介して効率的に放熱することができる。
【００４７】
さらに、本実施形態においては、複数のセラミックス層１２（第１セラミックス層１２ａ及び第２セラミックス層１２ｂ）の間に介在する絶縁樹脂層１３の厚さが２０μｍ以上とされているので、耐電圧性をさらに向上させることができる。一方、複数のセラミックス層１２（第１セラミックス層１２ａ及び第２セラミックス層１２ｂ）の間に介在する絶縁樹脂層１３の厚さが１５０μｍ以下とされているので、厚さ方向の熱抵抗が高くなることを抑制できる。
【００４８】
また、本実施形態においては、１つのセラミックス層１２（第１セラミックス層１２ａ又は第２セラミックス層１２ｂ）の厚さが０．３ｍｍ以上とされているので、絶縁性を確保することができる。一方、１つのセラミックス層１２（第１セラミックス層１２ａ又は第２セラミックス層１２ｂ）の厚さが０．８ｍｍ以下とされているので、セラミックス層１２の内部に欠陥が存在する確率を確実に低減することができる。
【００４９】
本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法によれば、回路層１５が形成された第１セラミックス板２２ａと、金属層１６が形成された第２セラミックス板２２ｂとを、無機フィラー（本実施形態ではアルミナ）と熱硬化型樹脂（本実施形態ではエポキシ樹脂）と硬化剤とを含有する樹脂組成物２３を介して積層する積層工程Ｓ０３と、積層された第１セラミックス板２２ａと樹脂組成物２３と第２セラミックス板２２ｂを積層方向に加圧するととともに加熱して樹脂組成物２３を硬化させる樹脂硬化工程Ｓ０４と、を備えているので、絶縁樹脂層１３を介して第１セラミックス板２２ａと第２セラミックス板２２ｂとを接合することができ、複数のセラミックス層１２（第１セラミックス層１２ａ及び第２セラミックス層１２ｂ）が絶縁樹脂層１３を介して積層された構造の絶縁層１１を形成することができる。
【００５０】
また、本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法においては、第２セラミックス板２２ｂに金属層１６を形成する金属層形成工程Ｓ０２を有しているので、複数のセラミックス層１２が絶縁樹脂層１３を介して積層された構造の絶縁層１１の他方の面に金属層１６が形成された絶縁回路基板１０を製造することができる。
【００５１】
さらに、本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法においては、樹脂硬化工程Ｓ０４では、硬化前の樹脂組成物２３の厚さｔ０と硬化後の絶縁樹脂層１３の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０が０．８以下となるように、積層方向へ加圧しているので、樹脂組成物２３の厚さ中心まで確実に硬化させることができ、絶縁性に優れた絶縁樹脂層１３を得ることができる。
また、本実施形態では、座繰り部が形成された押圧板５１，５１によって、樹脂組成物２３の全体を加圧する構成とされているので、樹脂組成物２３全体を均一に硬化させることができる。
【００５２】
（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。なお、第一の実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図４に、本発明の第二の実施形態に係る絶縁回路基板１１０を備えたパワーモジュール１０１を示す。
【００５３】
このパワーモジュール１０１は、絶縁回路基板１１０と、この絶縁回路基板１１０の一方の面（図４において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１１０の他方側（図４において下側）に配設されたヒートシンク３１と、を備えている。
【００５４】
本実施形態である絶縁回路基板１１０は、図４に示すように、絶縁層１１１と、この絶縁層１１１の一方の面（図４において上面）に形成された回路層１１５と、絶縁層１１１の他方の面（図４において下面）に形成された金属層１１６と、を備えている。
【００５５】
そして、絶縁層１１１は、複数のセラミックス層１１２が絶縁樹脂層１１３を介して積層された構造とされている。本実施形態では、図４に示すように、２つのセラミックス層（第１セラミックス層１１２ａ，第２セラミックス層１１２ｂ）が絶縁樹脂層１１３を介して積層されている。
【００５６】
ここで、第１セラミックス層１１２ａ及び第２セラミックス層１１２ｂは、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスで構成されている。
本実施形態では、第１セラミックス層１１２ａ及び第２セラミックス層１１２ｂは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。
また、第１セラミックス層１１２ａ及び第２セラミックス層１１２ｂの厚さは、それぞれ０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００５７】
２つのセラミックス層（第１セラミックス層１１２ａ，第２セラミックス層１１２ｂ）に介在する絶縁樹脂層１１３は、無機フィラーを含有する絶縁性の熱硬化型樹脂で構成されている。
ここで、無機フィラーとしては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド等を用いることができる。
本実施形態では、絶縁樹脂層１１３は、無機フィラーとして窒化ホウ素（ＢＮ）を含有するポリイミドで構成されている。
【００５８】
ここで、絶縁樹脂層１１３においては、無機フィラーの含有量は、全固形分重量に対して５０ｖｏｌ％以上８５ｖｏｌ％以下の範囲内とすることが好ましい。
また、本実施形態においては、絶縁樹脂層１１３の厚さは、２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、この絶縁樹脂層１１３単体での耐電圧特性は、１０ｋＶ／ｍｍｔ以上とされている。
また、絶縁樹脂層１１３単体での熱伝導率は、３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の範囲内とすることが好ましい。
【００５９】
回路層１１５は、絶縁層１１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板１２５が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、図６に示すように、絶縁層１１１の第１セラミックス層１１２ａとなる第１セラミックス板１２２ａの一方の面（図６において上面）に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板１２５が接合されることにより形成されている。
【００６０】
なお、本実施形態においては、回路層１１５となるアルミニウム板１２５は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。この回路層１１５には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
また、回路層１１５となるアルミニウム板１２５の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００６１】
金属層１１６は、絶縁層１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板１２６が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、図６に示すように、絶縁層１１１の第２セラミックス層１１２ｂとなる第２セラミックス板１２２ｂの他方の面（図６において下面）に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板１２６が接合されることにより形成されている。
【００６２】
なお、本実施形態においては、金属層１１６となるアルミニウム板１２６は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。
また、金属層１１６となるアルミニウム板１２６の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００６３】
そして、本実施形態においては、金属層１１６とヒートシンク３１とは、第２絶縁樹脂層１３２を介して接合されている。
この第２絶縁樹脂層１３２は、上述した絶縁樹脂層１１３と同様に、無機フィラーを含有する絶縁性の熱硬化型樹脂で構成されている。本実施形態では、第２絶縁樹脂層１３２は、無機フィラーとして窒化ホウ素（ＢＮ）を含有するポリイミドで構成されている。
【００６４】
以下に、本実施形態である絶縁回路基板１１０の製造方法について、図５及び図６を用いて説明する。
【００６５】
（回路層形成工程Ｓ１０１）
図６で示すように、第１セラミックス層１１２ａとなる第１セラミックス板１２２ａの一方の面（図６において上面）に、回路層１１５となるアルミニウム板１２５を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１２７を介して積層する。
なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１２７として、厚さ１０μｍのＡｌ−８ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を用いた。
【００６６】
そして、第１セラミックス板１２２ａとアルミニウム板１２５をそれぞれ積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、第１セラミックス板１２２ａとアルミニウム板１２５を接合する。これにより、回路層１１５が形成される。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は、６００℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００６７】
（金属層形成工程Ｓ１０２）
また、第２セラミックス層１１２ｂとなる第２セラミックス板１２２ｂの他方の面（図６において下面）に、金属層１１６となるアルミニウム板１２６を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１２７を介して積層する。
そして、第２セラミックス板１２２ｂとアルミニウム板１２６をそれぞれ積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、第２セラミックス板１２２ｂとアルミニウム板１２６を接合する。これにより、金属層１１６が形成される。
なお、接合条件は、回路層形成工程Ｓ１０１と同様の条件で行うことが好ましい。
【００６８】
（積層工程Ｓ１０３）
次に、回路層１１５が形成された第１セラミックス板１２２ａと、金属層１１６が形成された第２セラミックス板１２２ｂとを、無機フィラーとしての窒化ホウ素と熱硬化型樹脂としてのポリイミドと硬化剤とを含有する樹脂組成物１２３を介して積層する。なお、本実施形態では、樹脂組成物１２３は、シート状に形成されている。
このとき、第１セラミックス板１２２ａのうち回路層１１５が形成されていない面と、第２セラミックス板１２２ｂのうち金属層１１６が形成されていない面とが対向するように配置し、これらの間に、シート状の樹脂組成物１２３を配設する。
さらに、本実施形態においては、金属層１１６の他方の面側（図６において下面側）に、第２樹脂組成物１４２を介してヒートシンク３１を積層する。なお、この第２樹脂組成物１４２は、樹脂組成物１２３と同様に、シート状に形成されており、無機フィラーとしての窒化ホウ素と熱硬化型樹脂としてのポリイミドと硬化剤とを含有している。
【００６９】
（樹脂硬化工程Ｓ１０４）
次に、第１セラミックス板１２２ａと樹脂組成物１２３と第２セラミックス板１２２ｂと第２樹脂組成物１４２とヒートシンク３１を、積層方向に加圧するとともに加熱して、樹脂組成物１２３を硬化させて絶縁樹脂層１１３を形成するとともに、第１セラミックス板１２２ａと第２セラミックス板１２２ｂとを接合して絶縁層１１１を形成する。さらに、第２樹脂組成物１４２を硬化させて第２絶縁樹脂層１３２を形成するとともに、金属層１１６とヒートシンク３１とを接合する。
本実施形態では、図６に示すように、押圧板１５１，１５１を介して、第１セラミックス板１２２ａと樹脂組成物１２３と第２セラミックス板１２２ｂと第２樹脂組成物１４２とヒートシンク３１を積層方向に加圧する構成とされている。このとき、樹脂組成物１２３及び第２樹脂組成物１４２の全体を加圧できるように、第１セラミックス板１２２ａ側の押圧板１５１には回路層１１５の形状に応じた座繰り部が形成されている。
【００７０】
また、この樹脂硬化工程Ｓ１０４においては、加熱温度が１２０℃以上１８０℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が１０分以上６０分以下の範囲内とされている。また、積層方向の加圧荷重が１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．９８ＭＰａ以上４．９０ＭＰａ以下）の範囲内とされている。
【００７１】
ここで、この樹脂硬化工程Ｓ１０４においては、硬化前の樹脂組成物１２３の厚さｔ０と硬化後の絶縁樹脂層１１３の厚さｔ１との比ｔ１／ｔ０、硬化前の第２樹脂組成物１４２の厚さｔ１０と硬化後の第２絶縁樹脂層１３２の厚さｔ１１との比ｔ１１／ｔ１０が、それぞれ０．８以下となるように、第１セラミックス板１２２ａと樹脂組成物１２３と第２セラミックス板１２２ｂと第２樹脂組成物１４２とヒートシンク３１を積層方向に加圧することが好ましい。
【００７２】
上述した各工程によって、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造されるとともに、絶縁回路基板１１０の金属層１１６にヒートシンク３１が接合される。
【００７３】
（半導体素子接合工程Ｓ１０５）
次に、絶縁回路基板１１０の回路層１１５に半導体素子３を接合する。本実施形態では、回路層１１５と半導体素子３とを、はんだ材を介して接合している。
以上の工程により、図４に示すパワーモジュール１０１が製造される。
【００７４】
以上のような構成とされた本実施形態である絶縁回路基板１１０によれば、第一の実施形態と同様に、絶縁層１１１が、複数のセラミックス層１１２（第１セラミックス層１１２ａ及び第２セラミックス層１１２ｂ）が絶縁樹脂層１１３を介して積層された構造とされているので、１つのセラミックス層１１２（第１セラミックス層１１２ａ又は第２セラミックス層１１２ｂ）の厚さを厚くする必要がなく、セラミックス層１１２の内部に欠陥が存在する確率を低く抑えることができる。そして、複数のセラミックス層１１２（第１セラミックス層１１２ａ及び第２セラミックス層１１２ｂ）を、絶縁樹脂層１１３を介して積層しているので、セラミックス層１１２と絶縁樹脂層１１３とによって、耐電圧性を大幅に向上させることができる。
また、絶縁樹脂層１１３が、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成されているので、絶縁樹脂層における熱抵抗を小さくすることができ、放熱特性に優れた絶縁回路基板１１０を得ることができる。
【００７５】
本実施形態においては、絶縁回路基板１１０の金属層１１６とヒートシンク３１とが、第２絶縁樹脂層１３２を介して接合されているので、ヒートサイクル負荷時において絶縁回路基板１１０とヒートシンク３１との熱膨張係数の差によって生じる熱応力を、この第２絶縁樹脂層１３２で吸収することができ、絶縁回路基板１１０とヒートシンク３１との接合信頼性に優れている。
また、第２絶縁樹脂層１３２が、無機フィラーを含有する熱硬化型樹脂で構成されているので、第２絶縁樹脂層１３２における熱抵抗を小さくすることができ、絶縁回路基板１１０側の熱をヒートシンク３１側へと効率良く伝達することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態では、積層工程Ｓ１０３において、第１セラミックス板１２２ａと第２セラミックス板１２２ｂとを樹脂組成物１２３を介して積層するとともに、金属層１１６の他方の面側に、第２樹脂組成物１４２を介してヒートシンク３１を積層しており、樹脂硬化工程Ｓ１０４において、第１セラミックス板１２２ａと樹脂組成物１２３と第２セラミックス板１２２ｂと第２樹脂組成物１４２とヒートシンク３１を、積層方向に加圧するとともに加熱して、樹脂組成物１２３及び第２樹脂組成物１４２を硬化させているので、第１セラミックス板１２２ａと第２セラミックス板１２２ｂとを接合して絶縁層１１１を形成する際に、金属層１１６とヒートシンク３１とを接合することができ、製造工程を省略することが可能となる。
【００７７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００７８】
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
【００７９】
本実施形態においては、回路層及び金属層を、アルミニウム又はアルミニウム合金、あるいは、銅又は銅合金からなるものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば、回路層及び金属層を、アルミニウム層と銅層とが積層された構造としてもよい。また、回路層及び金属層の一方と他方で、異なる金属を用いてもよい。
【００８０】
本実施形態では、第１セラミックス板と第２セラミックス板を窒化アルミニウムで構成したものとして説明したが、その他のセラミックス材料を用いてもよい。また、第１セラミックス板と第２セラミックス板とで異なるセラミックス材料としてもよい。
また、第二の実施形態では、絶縁樹脂層（樹脂組成物）と第２絶縁樹脂層（第２樹脂組成物）とを同一の組成のものとして説明したが、これに限定されることはなく、異なる組成の絶縁樹脂層（樹脂組成物）を用いてもよい。
【００８１】
本実施形態では、絶縁層が２つのセラミックス層を積層した構造のものとして説明したが、セラミックス層の数に限定はなく、例えば図７に示す絶縁回路基板２１０のように、３つ以上のセラミックス層２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃと、これらの間に介在する絶縁樹脂層２１３ａ、２１３ｂを有するものであってもよい。このとき、絶縁樹脂層２１３ａ、２１３ｂは、異なる組成のものを使用してもよい。
【実施例】
【００８２】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
【００８３】
表１に示すセラミックス板及び樹脂組成物（絶縁樹脂層）を用いて、上述の実施形態で記載した製造方法により、絶縁回路基板を製造した。なお、回路層及び金属層として、厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板を用いた。
なお、絶縁層を構成する複数のセラミックス板、樹脂組成物（絶縁樹脂層）について、すべて表１に示すものを使用した。
【００８４】
（耐電圧性）
得られた絶縁回路基板を絶縁油（３Ｍ社製フロリナートＦＣ−７７０）に浸漬し、金属層及び回路層にプローブ（真鍮製φ２０ｍｍ）の電極を配設した。そして、５秒間で０．５ｋＶ昇圧し、その後、３０秒保持するサイクルを繰り返し、絶縁破壊を起こす電圧を測定し、その電圧値を絶縁耐圧値（ｋＶ）とした。評価結果を表１に示す。
【００８５】
【表１】
2019149515.tif 000003
【００８６】
絶縁層をセラミックス板の単層で構成した比較例１〜３においては、厚さを１．０〜１．８ｍｍと比較的厚く形成しても、絶縁耐圧が低くなった。
また、絶縁層を絶縁樹脂層のみで構成した比較例４においては、絶縁耐圧が非常に低くなった。
これに対して、絶縁層をセラミックスの２層構造とし、セラミックス板の間に絶縁樹脂層を形成した本発明例１〜７においては、絶縁耐圧が十分に高くなった。
【００８７】
以上のように、本発明例によれば、耐電圧性に特に優れた絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００８８】
１，１０１  パワーモジュール
３  半導体素子
１０、１１０、２１０  絶縁回路基板
１１、１１１、２１１  絶縁層
１２、１１２、２１２  セラミックス層
１３、１１３、２１３  絶縁樹脂層
１５、１１５、２１５  回路層
１６、１１６、２１６  金属層
２２、１２２  セラミックス板
２３、１２３  樹脂組成物
３１  ヒートシンク
１３２  第２絶縁樹脂層
１４２  第２樹脂組成物  
【図１】
2019149515.tif 000004
【図２】
2019149515.tif 000005
【図３】
2019149515.tif 000006
【図４】
2019149515.tif 000007
【図５】
2019149515.tif 000008
【図６】
2019149515.tif 000009
【図７】
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