(57)【要約】      （修正有）【課題】パワー半導体素子からの熱を効率よく放散させるため、パワーモジュールに用いられる回路基板には、放熱性がよく、かつ絶縁破壊電圧や部分放電において、絶縁性の高いセラミックス基板を提供する。【解決手段】窒化けい素基板１の一方の面に金属回路２、他方の面に金属放熱板３が形成されてなる回路基板において、窒化けい素基板が水銀圧入法による基板表面の直径１μｍ以上１００μｍ未満の細孔積算容積が０．０５ｃｍ３／ｇ以下（０を含まず）であることを特徴とする窒化けい素回路基板であり、回路端部から窒化けい素基板端部までの最短距離が０．８ｍｍ以上であり、回路端部から窒化けい素基板端部までの最短距離ｈ１と放熱板端部から窒化けい素基板端部までの最短距離ｈ２の差が０〜０．３ｍｍとすることにより、部分放電開始電圧が絶縁破壊電圧の９０％以上に向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化けい素基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板が形成されてなる回路基板において、窒化けい素基板が水銀圧入法による基板表面の直径１μｍ以上１００μｍ未満の細孔積算容積が０．０５ｃｍ３／ｇ以下（０を含まず）であることを特徴とする窒化けい素回路基板。
【請求項２】
回路端部から窒化けい素基板端部までの最短距離が０．８ｍｍ以上であり、回路端部から窒化けい素基板端部までの最短距離と放熱板端部から窒化けい素基板端部までの最短距離の差が０〜０．３ｍｍであることを特徴とする部分放電開始電圧が絶縁破壊電圧の９０％以上である請求項１に記載の窒化けい素回路基板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載した窒化けい素回路基板を具備することを特徴とするモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を搭載する部材として使用され、具体的には、例えば電鉄、電気自動車、一般産業用のインバータ用モジュール等に用いられる窒化けい素回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクス技術の発展に伴い、パワーモジュール等に用いられる絶縁回路基板（以下、単に「回路基板」という。）が達成すべき今日の課題は、電気特性を一段と向上させることである。
回路基板は、セラミックス基板の表面に金属回路を、裏面に金属放熱板を有することを基本構造とし、上記金属回路と上記金属放熱板には、通常、無電解Ｎｉめっきが施される。Ｎｉめっきがないときは、防錆剤が施される。モジュールの組み立ては、回路基板の金属回路にパワー半導体素子と電極を、また金属放熱板面に放熱部材をはんだ付けしておこなわれる。
【０００３】
近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等のパワーモジュールの変遷が進んでおり、パワー半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放散させるため、パワーモジュールに用いられる回路基板には、放熱性がよく、かつ絶縁性の高いセラミックス基板が多数使用されているが、大電力・高出力化に伴って電気特性、すなわち、絶縁破壊電圧や部分放電について、これらの向上を強く要望されている。
【０００４】
従来、部分放電特性の向上に関しては、接合層のはみ出し部を長くする提案（特許文献１）、金属回路のコーナー部の曲率半径を特定する提案（特許文献２）、また、セラミックス基板の両面に回路パターンを対称に形成する提案（特許文献３〜５）がなされているが、前記従来の構成では、回路形状に関する提案であって、金属回路を設計する際に反映できない場合もあり、十分な効果を得ることができていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１９０１７６号公報
【特許文献２】特開平１０−２１４９１５号公報
【特許文献３】特開２００１−３３２８２３号公報
【特許文献４】特開２００２−２７０７３０号公報
【特許文献５】特開２００６−２２９２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、前記従来の課題である電気特性を一段と向上させることであり、具体的には、窒化けい素回路基板の部分放電開始電圧（１０ｐｃ以上となる電圧）を絶縁破壊電圧の８５％以上に向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の回路基板は、窒化けい素基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板がそれぞれ活性金属を含むろう材層を介して接合されてなるものであって、回路基板に使用される窒化けい素基板は、水銀圧入法にて測定した基板表面の直径１μｍ以上１００μｍ未満の細孔積算容積が０．０５ｃｍ３／ｇ以下（０を含まず）であることを特徴とする回路基板であることを特徴とするものである。
さらに本発明の前記回路基板において、回路端部から窒化けい素基板端部までの最短距離が０．８ｍｍ以上であり、回路端部から窒化けい素基板端部までの最短距離と放熱板端部から窒化けい素基板端部までの最短距離の差が０〜０．３ｍｍであることを特徴とする部分放電開始電圧が絶縁破壊電圧の９０％以上である回路基板であり、該回路基板を具備することを特徴とするモジュールである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電気特性すなわち部分放電特性を一段と向上させた窒化けい素回路基板及びそれを用いたモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の回路基板の一例を示す回路面及び放熱面の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１１】
本発明で用いられるセラミックス基板の材質は、機械的強度と低熱抵抗を兼ね備えた窒化けい素であり、その基板の厚みは０．２〜１ｍｍが一般的であるが、目的によって変更される。たとえば、窒化けい素基板は、他のセラミックス基板よりも機械的強度が強いので、０．２〜０．５ｍｍに薄化し熱抵抗を小さくして用いることができる。これによって回路基板の薄化がより可能となるとともに回路基板の熱抵抗も小さくすることが可能となる。一方、高電圧用のモジュールに使用する場合、絶縁耐圧が重視されるために例えば０．５〜１ｍｍの厚物が用いられる。
【００１２】
本発明で用いられる金属回路、金属放熱板の材質は、電気的・熱的特性の点から、アルミニウム、銅、銅合金、アルミニウム合金の単体又はこれらのクラッドが用いられる。熱サイクルによる信頼性を重視する場合は、硬度変化の少ないアルミニウムを選択することが好ましく、電気抵抗や過渡熱を重視する場合は、銅が好ましい。厚みは、金属回路、金属放熱板のいずれも０．１〜０．６ｍｍであることが好ましい。金属回路は、窒化けい素基板の表面に１又は２以上の適宜数が形成され、金属放熱板は、放熱性の観点から通常ベタ金属板が設けられるが、場合によっては、分割された放熱板を配置することもある。
【００１３】
このとき、本発明に関する回路基板で重要なことは、水銀圧入法で測定した窒化けい素基板表面の直径１μｍ以上１００μｍ未満の細孔積算容積が０．０５ｃｍ３／ｇ以下（０を含まず）であることが肝要である。すなわち、該窒化けい素基板を回路基板に使用することにより、部分放電開始電圧が該回路基板の絶縁破壊電圧の８５％以上とすることができる。以下にその詳細について説明する。
【００１４】
本発明の課題である部分放電は、回路基板の回路面、放熱面間に電圧を印加し、電圧を印加している金属回路にて電界の集中しやすい部分、例えば、端部の形状が鋭角な箇所や、局所的に曲率が小さな箇所で電界集中が発生し、電界密度の低い箇所に不規則、または連続して１０ｐＣ以上の電荷量の移動を伴う放電現象である。従来、回路端部の形状を回避する方法が提案されているが、本発明者らは、回路基板に使用する窒化けい素基板の表面とろう材の密着性に注目し鋭意検討をおこなった。
【００１５】
以下に本発明に関する窒化けい素基板の製造方法について説明する。
【００１６】
窒化けい素の結晶は、塊状晶α型と柱状晶のβ型の2種類があるが、窒化けい素基板として適しているのは、基板の強度の高い柱状晶のβ型を主結晶としたものである。本発明者らは、基板表面の詳細な分析をおこなった結果、基板表面の開気孔は、２つのモードがあることを見出した。１つは、前記柱状晶が異常粒成長した結晶が重なりあう部分からなるものであり、もう１つは、微粉が凝集し形成されている部分からなるものである。すなわち、基板表面で結晶粒子の異常な粒成長であったり、微粉の凝集体であることから、いずれも原料粉に起因することが考えられた。そこて、本発明者らは、窒化けい素基板の原料粉は、最大粒径が１０μｍ以下でかつ体積累積１０％径が０．５μｍ以上である分級調整した原料粉を用いることが好ましいと考えた。すなわち、原料粉の最大粒径を１０μｍ以下とするのは、１０μｍを越える粗粉を除くことで基板表面での異常粒成長を防止するためであり、体積累積１０％径を０．５μｍ以上とするのは、原料粉の微粉を減らし、微粉凝集を防止するためである。
【００１７】
上記原料粉を焼結助剤と混合し、窒化けい素基板のグリーンシートに成形する手段としては、一般的に用いられる原料粉、焼結助剤、溶媒、バインダー等の混合・分散させたスラリーを成形するドクターブレード法やキャスティング法等を用いることは可能である。しかしながら、急激に溶媒を揮発させると微細な開気孔がシート表面に発生したり、シートに乾燥クラックを生じる恐れがあるため、成形手段としては、溶媒量をできるだけ抑えて混合し、粘土状の混練物を形成する押出成形法が好ましく、さらには、防爆設備が不要で厚み調整が容易であり、品質の安定した製造をおこなうことができる水系押出成形法がより好ましい。
【００１８】
上記にて作成したグリーンシートは、離型剤をシートの表面に塗布した後、積層し、脱脂をおこなう。本発明に関わる基板の脱脂方法に関しては、溶媒やバインダー除去の急激な変動によって基板表面に開気孔の発生を防ぐために、１３．３Ｐａの真空中にて１２０℃で５時間維持した後、６００℃で２時間維持し、緩やかに脱脂をおこなうことが望ましい。すなわち、真空中で１２０℃に加熱するのは、揮発せずに残った溶媒を除去するためであり、雰囲気を真空中でおこなうのは、積層したシート内部の水分の残留や、シートに吸着した水分を除去するためである。次に、昇温速度２℃／分にて７００℃に昇温するまでにゆっくりと空気を導入し、大気圧に戻した後、脱脂時の残炭を軽減するために、炉内圧がわずかに陽圧となるよう１０Ｌ／分の空気を炉内に導入し、脱脂炉内を空気フロー状態にして７００℃、３時間を維持する。このとき、昇温しながら空気を導入するのは、分子量の大きなバインダー成分の脱脂を促し、シート内部や表面が急激な脱脂の影響を防ぐためである。また、炉内圧を大気圧よりわずかに陽圧とするのは、炉内に残留する脱脂時に発生する炭素を含むガスを炉外に排出するためである。
【００１９】
脱脂を経た成形体は、脱脂炉から取り出し、焼成炉に移し替えて焼成をおこなうが、本発明に関わる窒化けい素基板の焼成は、脱脂後の吸着水の影響を軽減するために、まず、１３．３Ｐａの真空下で７００℃までの昇温をおこなう。その後、窒素を導入し、０．８〜０．９ＭＰａに加圧するまで７００℃を維持し、加圧後、１８００〜１９００℃の焼成温度まで昇温し、０．５〜５．０時間維持する。このとき、窒素を加圧状態で炉内に封入するのは、焼結助剤の揮発を防ぎ、基板表面の細孔を軽減させるためであり、さらに焼成時間を５．０時間以下にするのは、焼結助剤の揮発をできるだけ低減させるためである。そのため、本発明に関わる窒化けい素基板の焼成後の冷却は、７００℃以下になるまで加圧状態を維持することが肝要である。焼成した窒化けい素基板は、ジェットスクライブなどの湿式処理にて表面の離型剤を除去することによって得られる。
【００２０】
ここで、本発明者らは、上記製造方法によって得られた基板について、表面粗さ計で計測し従来の基板と比較したが、いずれもＲａは０．３μｍ前後であり、有意差がみられなかった。そのため本発明者らは、基板表面の開気孔に注目し、開気孔容積を定量測定できる水銀圧入法を用いて基板表面の直径１μｍ以上１００μｍ未満の細孔積算容積を計測したところ、従来の基板が０．１０ｃｍ３／ｇ前後であるに対し、本発明に関わる基板は０．０５ｃｍ３／ｇ以下となっており、上記に記述した製造方法によって基板表面の開気孔を低減できることを確認できた。
【００２１】
本特許に関する回路基板の達成すべき課題は電気特性の向上である。一般的に回路基板の電界強度は、基板の厚みが厚くなると低下するため、絶縁破壊電圧や部分放電開始電圧は高くなる。そのため、回路基板の電気特性を比較するには、基板の厚みの影響を考慮した比較が必要であり、また、回路基板を使用したモジュールにおいては、絶縁破壊電圧を目安として設計されていることを鑑み、回路基板の部分放電開始電圧が絶縁破壊電圧の８５％以上であることを具体的な達成すべき目標とした。
【００２２】
従来の基板及び、既に記述した本発明に関する基板を使用し、表裏ベタパターン（基板端部から回路端部の最短距離：２．０ｍｍ、基板端部から放熱板端部の最短距離：０．８ｍｍ）である回路基板を作成し、部分放電開始電圧と絶縁破壊電圧を計測したところ、従来の基板を使用した回路基板の部分放電開始電圧は、絶縁破壊電圧の７０〜７５％前後であるのに対し、本発明に関する基板を回路基板とした場合、８５〜８９％であり、部分放電開始電圧の向上が確認された。
【００２３】
これらの回路基板を断面観察によって両者の差異を確認したところ、金属回路−窒化けい素基板間にあるろう材層界面に差が見られ、低い電圧で部分放電を発生する回路基板には、部分的に空隙が生じているのに対し、良好な回路基板には空隙は観察されなかった。このことから、課題である部分放電特性を向上させるためには、金属回路−窒化けい素基板間の空隙をなくすことが有効であり、本発明に関する基板を用いて回路基板とすることで電気特性を向上でき、課題を解決できる有効な手段であることがわかった。
【００２４】
次に本発明に関する回路基板の製造方法について説明する。
【００２５】
本発明で用いられる金属回路、金属放熱板と窒化けい素基板との接合は、ろう材層を介して行われる。このろう材層は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分とを含むろう材を用いる活性金属ろう付け法によって形成することができる。さらに詳細に説明すると、ろう材層の形成方法は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ及び例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属を含む合金箔を用いたり、これらの単体金属かこれらの複数を合金化した微粉を、例えばポリイソブタンメタクリレート等のバインダー及びテルピネオール等の分散溶剤と混合してペーストを調製し、例えばスクリーン印刷法、ロールコーター法等によって、セラミックス基板の表面及び裏面に塗布することで施し、窒化けい素基板の表面に金属回路形成用金属板を、裏面に放熱板形成用金属板を配置し、真空中または非酸化性雰囲気下の炉内にて加熱し、ろう材層を形成することができる。
【００２６】
本発明に関わる回路基板の製造方法は、窒化けい素基板に金属回路形成用、金属放熱板形成用の金属板を活性金属ろう付け法にて接合体を製造した後、所望の回路形状及び放熱板形状をエッチングによって形成する。このとき、本発明における回路基板は、従来提案された手法の組み合わせることにより、さらに部分放電特性を向上することができる。
例えば回路端部から基板端部までの最短距離と放熱板端部と基板端部までの最短距離の差を０〜０．３ｍｍとすることで電界集中の緩和により電気特性が向上するが、その際、基板端部から回路端部の最短距離は、０．８ｍｍ以上とすることが好ましい。上記回路基板とした場合、部分放電開始電圧を絶縁破壊電圧の９０％以上とすることが可能となる。
上記基板端部から回路端部の最短距離が０．８ｍｍ未満である場合、特に３ｋＶ以上の高電圧で使用する場合では、表裏間の絶縁距離が短く、沿面放電による部分放電の発生頻度が高くなるために回路基板の絶縁特性を維持できない場合がある。
【００２７】
以上の工程を経ることにより、本発明に関する回路基板は製造されるが、回路基板は必要に応じて、膜厚が１〜８μｍ程度の無電解Ｎｉめっきが施される。Ｎｉめっきを施さないときは、研削、物理研磨、化学研磨等によって金属表面をＲａ≦０．８μｍに平滑化した後、防錆剤が塗布される。また、ロットトレースを目的として、インクジェットやレーザーマーカー等の装置を用いて、バーコードや二次元コードなど、印字若しくは刻印等を基板毎に施される。
【実施例】
【００２８】
［実施例１〜６］
予め、風力分級機（日清エンジニアリング社製ターボクラッシファイア、型式ＴＣ−１５Ｎ）にて粗粉及び微粉を除いた窒化けい素粉末１００質量部に対して、有機バインダー１０質量部、並びに、焼結助剤の総使用量８．５質量部（Ｙ２Ｏ３：７質量部、ＭｇＯ：１．５質量部）を窒化けい素製ポット及びボールを入れたボールミル混合機に入れ、窒素置換／封入後、２時間混合した。
その後、混合粉末のみポットから取り出し、取り出した混合粉末をミキサー撹拌しながら、混合粉末１００質量部に対して可塑剤３質量部、イオン交換水１８質量部の混合溶液を噴霧し、顆粒状の湿粉原料を作製した。
〈使用原料〉
・窒化けい素粉末：電気化学工業社製、商品名「デンカ窒化けい素」  グレード名「ＮＰ−６００」（α化率８８％、酸素量０．９質量％）。
・Ｙ２Ｏ３：信越化学工業社製、商品名「Yttrium Oxide」、Ｄ５０径１．０μｍ
・ＭｇＯ：岩谷化学社製、商品名「ＭＴＫ−３０」、Ｄ５０粉末粒子径０．２μm
・有機バインダー：ヒドロキシプロピルメチルセルロース。信越化学工業社製、商品名「メトローズ６５SH」
・可塑剤：花王社製、商品名「エキセパール」、主成分グリセリン
【００２９】
次に混練機（神戸製鋼社製ＨＹＰＥＲＫＴＸ３０）に湿粉原料を投入し、混練し、得られた練土を真空押出成形機(宮崎鉄工社製ＦＭ３０)にてシート形状に成型し、１００℃に保持したベルト式乾燥機にてシートの含水率が２質量％となるまで乾燥した後、所望の寸法にて打ち抜き、シートの表裏に離型剤をスプレー塗布した。その後、窒化ほう素製の容器に積層／充填し、真空脱脂炉にて、真空中１３．３Ｐａ下、１２０℃で５時間保持し、６００℃まで昇温／２時間保持した。その後、２℃／分で７００℃まで昇温するまでにゆっくりと空気を導入し、大気圧に戻した後、１０Ｌ／分の空気を導入し、炉内圧が大気圧よりわずかに陽圧となるように排気孔の開度を調整し、７００℃で３時間保持した。脱脂後大気中で放冷し、加圧カーボンヒーター電気炉に窒化ほう素容器を移し、１３．３Ｐａの真空下にて７００℃まで昇温したのち、０．９MPaの窒素加圧雰囲気下となるまで温度を保持する。その後、１８５０℃まで昇温し、３時間保持した後、７００℃以下となるまで加圧雰囲気を保持した。放冷後、基板を容器から取り出し、ジェットスクライブにて表面の離型剤を除去し、窒化けい素基板を得た。
【００３０】
焼成した窒化けい素基板に一部は、表面粗さ測定(Ra)、水銀圧入法にて細孔分布の測定をおこなった結果を表１に示す。
〈測定方法〉
・表面粗さ測定：JIS B0601−1994に準ずる測定（ミツトヨ製・型式SJ-301・測定長0.8mm）
・細孔分布の測定：水銀ポロシメーター（島津製作所製・型式オートポア４−９５００・水銀圧入法)使用
【００３１】
〈窒化けい素回路基板の作製〉
回路基板としての性能を評価するため、金属回路と金属放熱板に銅板を用い、次の方法で接合及び回路パターンの形成を行った。
【００３２】
Ag８５質量％、Cu１０質量％、Zr２質量％、TiH３質量％からなる混合粉末１００質量部に対して、テレピネオール１５質量部、ポリイソブチルメタクリレート１．３質量部を添加し、三本ロールを用いて混合した後、目開き４０μｍのナイロンメッシュを通過させ、ろう材ペーストを調整した。作製したペーストは、基板の両面に乾燥基準で塗布量６mg／ｃｍ２となるようにロールコーター印刷機にて塗布した。次に、両面に基板と同じサイズの無酸素銅板を配置した２０組を積層した後、カーボン治具にカーボンネジ締めに設置し、真空雰囲気下（６．５×１０−４Ｐａ）、８２０℃で４５分保持させて、窒化けい素基板と銅板の接合体を作製した。接合体の一主面には表１に示す所定の形状の回路パターンを、もう一方の主面には放熱板パターンを形成させるべく、UV硬化型レジストインクをスクリーン印刷した後、UVランプを照射させてレジスト膜を硬化させた。次いで、レジスト塗布した部分以外を塩化第二銅溶液でエッチングし、次いでフッ化アンモニウム水溶液にてろう材層を除去した後、レジスト膜を剥離し、化学研磨によりＲａ０．８μｍ以下に銅表面を調整した後に、無電解ニッケルめっき厚み３μｍを施し、窒化けい素回路基板を作製した。作製した回路基板を用いて部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧を計測し、部分放電開始電圧を絶縁破壊電圧の相対値とした結果を表１に示す。
【００３３】
〈使用材料〉
・無酸素銅板：住友金属鉱山伸銅株式会社製無酸素銅板（JIS H 3100）
・UV硬化型レジストインク：互応化学工業株式会社製「PER−２７B−６」
〈測定方法〉
・部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧の測定：作製した回路基板を絶縁油（住友３Ｍ社製「フロリナートＦＣ−４０」）に浸漬して、１ｋＶ／分のスピードで電圧を印可したとき、部分放電電荷量が１０ｐＣを超した時の電圧を部分放電開始電圧とし、その後さらに昇圧し、絶縁破壊する電圧の測定をおこなった。測定した部分放電開始電圧は、絶縁破壊電圧に対する相対値を算出した（n=５平均値）。
【００３４】
［比較例１〜３］
窒化けい素基板を従来の基板に変更したこと以外は同一処理にてサンプルを作成した。
【００３５】
評価結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
2013182983.tif 000003
【００３７】
上記表１に示す結果から明らかなように窒化けい素基板が水銀圧入法による基板表面の直径１μｍ以上１００μｍ未満の細孔積算容積が０．０５ｃｍ３／ｇ以下（０を含まず）であると部分放電開始電圧が絶縁破壊電圧の８５％以上に向上できること、さらに上記基板を用い、回路端部から窒化けい素基板端部までの最短距離が０．８ｍｍ以上であり、回路端部から基板端部までの最短距離と放熱板端部から窒化けい素基板端部までの最短距離の差が０〜０．３ｍｍとすることにより部分放電開始電圧が絶縁破壊電圧の９０％以上とできることが確認できた。上記結果から、本発明に関わる窒化けい素回路基板を具備するモジュールにおいては、部分放電開始電圧を大幅に向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の窒化けい素回路基板は、半導体を搭載する部材として使用され、具体的には、例えば電鉄、電気自動車、一般産業用のインバータ用モジュール等に用いられる。
【符号の説明】
【００３９】
１  窒化ケイ素基板
２  金属回路
３  金属放熱板
ｈ１  回路端部から窒化けい素基板端部までの距離
ｈ２  放熱板端部から窒化けい素基板端部までの距離
【図１】
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