陶瓷电路基板及其制造方法与流程

本发明关于尤其适用于功率半导体模块等的陶瓷电路基板及其制造方法。

背景技术

从热导率、成本、安全性等方面出发，已有人利用氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝等的陶瓷基板作为利用于功率模块等的电路用基板。这些陶瓷基板通过接合铜、铝等金属电路、散热板，从而作为电路基板使用。相对于树脂基板、以树脂层作为绝缘材料的金属基板稳定地得到高绝缘性为这些陶瓷基板的特长。

以往，在半导体搭载用陶瓷基板的主面用接合焊料接合具有导电性的金属电路并进一步在金属电路的规定位置搭载了半导体元件而得的陶瓷电路基板已用于电梯、车辆、混合动力车等的功率模块用途。近年来，电路基板朝向小型化、功率模块朝向高输出化发展中，对于陶瓷基板材料除了要求散热特性以外，要求高的电绝缘性，热传导性与绝缘特性优异的氮化铝基板、氮化硅基板等受到关注。

上述陶瓷电路基板利用焊料接合作为半导体芯片的si芯片、sic芯片而使用，但为了防止焊接时焊料本身的流动、芯片的位置偏离，在金属电路的主面涂布了作为阻焊剂的绝缘树脂(专利文献1)。

此外，尤其在电气化铁路等的车辆用途中在高电压下使用陶瓷电路基板，为了防止来自电路端部、接合部的部分放电、防止因迁移所致的绝缘性劣化，涂布了绝缘树脂(专利文献2)。

但是，防止焊料流动的阻焊剂一般多采用丝网印刷法涂布在金属电路的主面，作为陶瓷电路基板的阻焊剂印刷工序的一部分实施。另外，防止部分放电、迁移的绝缘树脂的涂布一般在将半导体元件安装于电路基板上的工序中利用分配器(dispenser)进行涂布。为了涂布这些绝缘树脂，需要个别不同的工序，出现了由生产率降低及因绝缘树脂位置偏离所致的部分放电特性降低及绝缘特性劣化引起的问题。

专利文献1：日本特开平10-70212号公报

专利文献2：日本特开2002-76190号公报

技术实现要素：

本发明的目的在于：鉴于上述课题，提供一种陶瓷电路基板，其在陶瓷电路基板中不使生产率降低、不使因绝缘树脂位置偏离而导致部分放电特性恶化、绝缘特性降低的情况发生，涂布有防止焊料流动、芯片偏离的绝缘树脂以及防止部分放电、绝缘性降低的绝缘树脂，并提供其制造方法。

解决上述课题的本发明由下列构成。

(1)一种功率模块用陶瓷电路基板，是金属电路与陶瓷基板接合而成的陶瓷电路基板，其特征在于，在金属电路的主面上以及在金属电路的外周部和/或金属电路间涂布有绝缘树脂。

(2)(1)的功率模块用陶瓷电路基板，其特征在于，所述陶瓷基板为氮化铝、氮化硅或氧化铝基板，所述金属电路由选自铜及铝中的1种以上的金属构成，并且所述绝缘树脂使用含有选自环氧树脂、聚酰亚胺树脂、丙烯酸系树脂及有机硅树脂中的1种以上的树脂。

(3)一种功率模块用陶瓷电路基板的制造方法，是(1)或(2)所述的功率模块用陶瓷电路基板的制造方法，其特征在于，将绝缘树脂同时地涂布在金属电路的主面上以及金属电路的外周部和/或金属电路间。

(4)(3)的功率模块用陶瓷电路基板的制造方法，其特征在于，所述绝缘树脂的涂布方法为喷墨印刷法或移印法。

附图说明

图1为表示实施例中使用的陶瓷电路基板的金属电路图案形状的说明图。

图2为表示已对于图1中所示的金属电路涂布绝缘树脂3(阻焊目的)与绝缘树脂4(防止部分放电及绝缘性降低的目的)的状态的说明图。

图3为沿图2的a-a方向的剖面图。

具体实施方式

以下，说明功率模块用陶瓷电路基板的各种实施方式，其次说明陶瓷电路基板的制造方法，但已针对一实施方式记载的特定说明对其他实施方式也适用时，则在其他实施方式中省略其说明。

[功率模块用陶瓷电路基板]

本发明的第一实施方式涉及的功率模块用陶瓷电路基板为用于功率模块的陶瓷电路基板，将金属电路与陶瓷基板接合而成，其特征在于：在金属电路的主面上以及在金属电路的外周部和/或金属电路间涂布有绝缘树脂。

涂布绝缘树脂的金属电路的外周部和/或金属电路间包含将金属电路与陶瓷基板接合的焊料部分或经焊料接合的陶瓷基板主面、金属电路主面的外周端部。

(金属电路)

就金属电路的材料而言，从导电性及热导率的方面出发，可使用铜、铝、银、金等，但从价格方面及之后的电路形成等的观点出发，使用铜或铝。本实施方式中的金属电路可使用由铜或铝、或者铜及铝的2层包覆材料构成的金属。

对本实施方式中的金属电路的板厚无特别限定，优选0.10～1.5mm。通过使板厚为0.10mm以上，作为功率模块用的电路基板使用时，可确保充分的导电性，金属电路部分的发热等问题得到抑制；通过使板厚为1.5mm以下，金属电路本身的热阻增大，电路基板的散热特性降低的情形得到抑制。

(陶瓷基板)

本实施方式中，对陶瓷基板不特别限定，可使用氮化硅、氮化铝等氮化物系陶瓷、氧化铝、氧化锆等氧化物系陶瓷、碳化硅等碳化物系陶瓷、硼化镧等硼化物系陶瓷等。用于功率模块时，优选氮化铝、氮化硅等非氧化物系陶瓷、氧化铝等氧化物系陶瓷。

对陶瓷基板的厚度不特别限定，通过使其为0.2mm以上，从而得到耐久性，通过使其为1.5mm以下，从而可抑制热阻增大，因此优选0.2～1.5mm。

(绝缘树脂)

本实施方式中的绝缘树脂只要为具有绝缘性的树脂即可，不特别限定，可为以选自环氧树脂、聚酰亚胺树脂、丙烯酸系树脂、有机硅树脂中的至少1种以上作为主成分的树脂。

本实施方式中，以防止焊料流动、芯片偏离为目的的绝缘树脂(第一绝缘树脂)与以防止部分放电、绝缘性降低为目的的绝缘树脂(第二绝缘树脂)分别涂布在金属电路的主面上以及金属电路的外周部和/或金属电路间。

另外，第一绝缘树脂与第二绝缘树脂可为以同一树脂作为主成分者，也可为以不同的树脂作为主成分者。

涂布于陶瓷电路基板的绝缘树脂的厚度并无特别限制，优选印刷成5～500μm的厚度。

[接合方法]

在陶瓷基板上接合金属电路及金属板的方法有利用焊料的活性金属法等、直接在陶瓷基板上配置金属电路板、金属板并在非活性气氛下加热的直接接合法。例如，已知将铜板与陶瓷基板接合时，若将无氧铜板的表面经氧化处理而得者、韧炼铜(tough-pitchcopper)板配置在氧化铝等氧化物系陶瓷基板上并在非活性气体中加热，则铜板与陶瓷基板会直接接合。本实施方式中，不论哪种情况都得到同样的效果。

另外，作为形成金属电路板的规定电路图案的方法，有在将金属板接合后在该金属板的表面形成电路形状的抗蚀剂并利用蚀刻进行图案化的方法、预先利用压制、蚀刻形成了电路形状的金属板后接合于陶瓷基板的方法等。在形成了图案后，视需要也可对于金属板实施镀ni、镀ni合金、镀金、镀银、防锈处理。

[功率模块用陶瓷电路基板的制造方法]

本发明的一实施方式的功率模块用陶瓷电路基板的制造方法，其特征在于：在金属电路与陶瓷基板接合而成的陶瓷电路基板中，将绝缘树脂同时地涂布在金属电路的主面上以及金属电路的外周部或金属电路间。所谓在此的同时地涂布，意指将向金属电路的主面上的涂布以及向金属电路的外周部或金属电路间的涂布在一连串的工序中连续地或同时地进行。

另外，上述绝缘树脂的涂布方法可为使用了喷墨印刷法或移印法的印刷。特别地，喷墨印刷法为除了墨以外非接触于电路基板的直接图案化法，通过输入印刷数据，在高度不同的印刷面也能以良好位置精度、有效率地进行印刷。另外，在印刷宽度窄的金属电路的外周部、金属电路间、或在陶瓷基板与金属电路主面之间的高低差部分也能理想地进行印刷。在移印法中，在印刷宽度窄的金属电路的外周部、金属电路间、或在陶瓷基板与金属电路主面之间的高低差部分也能理想地进行印刷。

[印刷精度]

在本实施方式的陶瓷电路基板的制造方法中，将绝缘树脂以偏离量为0.4mm以下、优选为0.25mm以下、更优选为0.2mm以下的印刷精度涂布于陶瓷电路基板。

[部分放电特性]

本实施方式的陶瓷电路基板的部分放电电荷量为1.0pc以下，优选为0.7pc以下，更优选为0.5pc以下。

实施例

以下，举出实施例及比较例更具体地说明本发明，但本发明决不受实施例等的内容限定。

[实施例1]

在55mm×48mm×1.0mmt的氮化铝基板的一主面，利用0.3mmt的铜板以图1中所示的图案以使30mm×44mm与20.5mm×44mm成为0.50mm的图案间距离的方式配置金属电路。另一主面接合52mm×45mm×0.3mmt铜板(散热板)而制作成陶瓷电路基板。对于该陶瓷电路基板，利用喷墨印刷法(装置名日本文化精工制喷墨印刷机(印刷头：ricoh制gen5))将以环氧树脂作为主成分的树脂(太阳油墨制造株式会社制ijsr-4000)以图2所示的图案在距电路外周部为内侧3.00mm的位置以宽度3.00mm涂布于金属电路主面上，同时以宽度1.00mm涂布于电路部的外周部，同时以宽度0.50mm涂布于金属电路间，得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例2]

使用将0.2mmt的铜板与0.2mmt的铝板予以扩散接合而得的2层包覆材料(铝板侧接合于氮化铝基板)替代铜板，除此以外，与实施例1同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例3]

使用以聚酰亚胺树脂作为主成分的树脂(jnc株式会社制lixoncoat)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与实施例1同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例4]

使用以丙烯酸系树脂作为主成分的树脂(互应化学工业株式会社制per400)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与实施例1同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例5]

使用0.4mmt的铝板替代0.3mmt的铜板，除此以外，与实施例1同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例6]

使用以聚酰亚胺树脂作为主成分的树脂(jnc株式会社制lixoncoat)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与实施例5同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例7]

使用以丙烯酸系树脂作为主成分的树脂(互应化学工业株式会社制per400)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与实施例5同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例8]

使用以有机硅树脂作为主成分的树脂(东丽-道康宁株式会社制wl-5351)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与实施例5同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例9]

使用厚度0.635mm的氮化硅基板替代氮化铝基板，除此以外，与实施例1同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例10]

使用聚酰亚胺树脂(jnc株式会社制lixoncoat)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与实施例9同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例11]

使用以丙烯酸系树脂作为主成分的树脂(互应化学工业株式会社制per400)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与实施例9同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例12]

使用0.4mmt的铝板替代0.3mmt的铜板，除此以外，与实施例9同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例13]

使用以聚酰亚胺树脂作为主成分的树脂(jnc株式会社制lixoncoat)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与实施例12同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例14]

使用0.635mmt的氧化铝基板替代氮化铝基板，除此以外，与实施例1同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例15]

代替喷墨印刷法而采用移印法将以环氧树脂作为主成分的树脂(太阳油墨制造株式会社制uvr-150g)同时地涂布在电路面上以及电路部的外周部及金属电路间，除此以外，与实施例1同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[实施例16]

使用以有机硅树脂作为主成分的树脂(东丽-道康宁株式会社制wl-5351)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与实施例15同样地得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[比较例1]

在不对与实施例1同样地制作的陶瓷电路基板涂布绝缘树脂的状态下使用。

[比较例2]

在不对与实施例5同样地制作的陶瓷电路基板涂布绝缘树脂的状态下使用。

[比较例3]

在不对与实施例9同样地制作的陶瓷电路基板涂布绝缘树脂的状态下使用。

[比较例4]

在不对与实施例14同样地制作的陶瓷电路基板涂布绝缘树脂的状态下使用。

[比较例5]

对于实施例1中记载的配置有金属电路与散热板的陶瓷电路基板，与以往工序同样地，进行了在金属电路的主面涂布绝缘树脂的工序后，暂时移除并再度设定后，分成在电路部的外周部及金属电路间涂布绝缘树脂的工序，将以环氧树脂作为主成分的树脂(太阳油墨制造制ijsr-4000)采用喷墨印刷法各自涂布，得到图2中所示的陶瓷电路基板。

[比较例6]

使用了以聚酰亚胺树脂作为主成分的树脂(jnc株式会社制lixoncoat)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与比较例5同样地得到了图2中所示的陶瓷电路基板。

[比较例7]

使用以丙烯酸系树脂作为主成分的树脂(互应化学工业株式会社制per400)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与比较例5同样地得到了图2中所示的陶瓷电路基板。

[比较例8]

使用以有机硅树脂作为主成分的树脂(东丽-道康宁株式会社制wl-5351)替代以环氧树脂作为主成分的树脂，除此以外，与比较例5同样地得到了图2中所示的陶瓷电路基板。

采用下述方法对于在实施例1～16及比较例1～8中制作的陶瓷电路基板的部分放电特性及绝缘特性进行了评价。将这些结果示于表1。

<印刷精度>

对于得到的陶瓷电路基板30片，将偏离图2中所示的b部中的绝缘树脂(阻焊剂)(3)及绝缘树脂(防绝缘劣化和放电)(4)间的既定距离3.00mm的偏离量用光学显微镜(倍率30倍)进行测定，定义为印刷精度(偏离量)。

<部分放电特性的评价>

将得到的陶瓷电路基板在绝缘油中以升压速度0.3kv/s升压到10kv，然后以0.5kv/s的速度降压到8kv，在8kv维持10秒钟，将此时的部分放电电荷量用mess-&prufsystemegmbh公司制部分放电测定机(ttp15)测定。

<绝缘特性的评价>

对于陶瓷电路基板30片在85℃、93％rh以电压1.0kv边施加电压500小时边测定绝缘电阻，将绝缘电阻值成为1×10⁶ω以下的基板的片数设为绝缘劣化基板。

[表1]

由以上可知，本实施例的陶瓷基板由于在金属电路主面涂布有绝缘树脂，故能够防止焊料流动、芯片偏离，并且在金属电路的外周部或金属电路间涂布有绝缘树脂，从而防止了电压施加时的部分放电开始电压的降低、因焊料成分的迁移所致的绝缘电阻的降低。另外，通过同时地印刷绝缘树脂，从而不会使生产率降低，印刷精度变得良好，部分放电特性及绝缘性提高。

产业上的可利用性

根据本发明，通过对于将金属电路与陶瓷基板接合而成的电路基板涂布防止焊料流动、芯片偏离的绝缘树脂以及在金属电路的外周部或金属电路间涂布防止部分放电、绝缘性降低的绝缘树脂，从而能够得到防止了电压施加时的部分放电起始电压的降低、因焊料成分的迁移所致的绝缘电阻的降低的陶瓷电路基板。

附图标记说明

1陶瓷基板

2金属电路

3绝缘树脂(阻焊剂)

4绝缘树脂(防止绝缘劣化和放电)