(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板上にエポキシ樹脂からなる絶縁層を介して導体箔を載置し、前記エポキシ樹脂を硬化した後に、エッチングにより前記導体箔から導体回路を形成してなる金属ベース回路基板であって、前記エポキシ樹脂がＣＴＢＮ変性型エポキシ樹脂であり、しかも前記絶縁層の３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０２以上２×１０６Ｐａ／Ｋ以下であることを特徴とする金属ベース回路基板。
【請求項２】
金属板上に多層構造を有し、エポキシ樹脂からなる絶縁層を介して導体箔を載置し、前記エポキシ樹脂を硬化した後に、エッチングにより前記導体箔から導体回路を形成してなる金属ベース回路基板であって、該多層構造を構成する単位絶縁層の１層以上について、エポキシ樹脂がＣＴＢＮ変性型エポキシ樹脂であり、しかも単位絶縁層の３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０２以上２×１０６Ｐａ／Ｋ以下であることを特徴とする金属ベース回路基板。
【請求項３】
３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０２以上２×１０６Ｐａ／Ｋ以下である単位絶縁層が、金属板に接していることを特徴とする請求項２記載の金属ベース回路基板。
【請求項４】
請求項１、請求項２又は請求項３記載の金属ベース回路基板を用いてなることを特徴とするモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田クラックに対する耐久性を向上させた金属ベ−ス回路基板とそれを用いたモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高発熱性電子部品を実装する回路基板として、金属板上に無機フィラ−を充填したエポキシ樹脂等からなる絶縁層を設け、該絶縁層上に導電回路を設けた金属ベース回路基板が用いられている。
【０００３】
一方、車載用電子機器について、その小型化、省スペ−ス化と共に、電子機器をエンジンル−ム内に設置することが要望されている。エンジンル−ム内は温度が高く、温度変化が大きいなど過酷な環境であり、また、放熱性に優れる回路基板が必要とされる。このような用途に対して、放熱性に優れる前記金属ベ−ス回路基板が注目されている。
【０００４】
金属ベース回路基板の回路には一般的に各種の電子部品が半田を介して接合されている。また、金属ベ−ス回路基板は、熱放散性や経済的な理由から金属ベースとしてアルミニウム板を用いることが多い。しかし、アルミニウム板と電子部品、特にセラミックチップ部品との熱膨張率の差が大きいため、実使用下における温度上昇／温度下降の繰り返しを受けて、電子部品を固定している半田部分或いはその近傍にクラックが発生することがあり、その結果、熱の伝導経路が遮断され、高発熱性電子部品の放熱が充分に行われずに、電子部品の温度上昇が起こり、熱的劣化が生じ、機能が停止してしまう、或いは電気的信頼性が低下するという問題が発生する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、温度上昇／温度下降を繰り返し受けても、半田或いはその近傍でクラック発生等の異常を生じ難い、金属ベ−ス回路基板を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、有限要素法を用いた熱弾塑性解析において、いろいろな金属ベース回路基板上に種々の電子部品を半田により接合したモジュールについて、−４０℃〜＋１２５℃の熱サイクルを負荷する計算を行い、半田の塑性歪み振幅が特定の値以下となるような金属ベース回路基板を探索し、その結果、前記特定の構造を有する金属ベース回路基板を用いるときに、耐半田クラック性に富む、高い信頼性を有するモジュールが得られることを見出した。
【０００７】
さらに、本発明者は、上記知見に基づき実験的にいろいろ検討し、次の知見を得て本発明に至ったものである。即ち、絶縁層に低ヤング率の材料を用いることにより金属板と電子部品との間で発生する応力を緩和することができるのであるが、絶縁層のヤング率を低くしようとすると、絶縁層の熱膨張率が大きくなるのが一般的である。そのために、単に絶縁層を低ヤング率化することのみでは、絶縁層の熱膨張率が大きくなるために、金属板と電子部品との間で発生する応力を充分に緩和することができなくなるという問題が発生してくる。絶縁層の低ヤング率化とともに、低熱膨張率化をも達成することが重要である。
【０００８】
本発明は、金属板上にエポキシ樹脂からなる絶縁層を介して導体箔を載置し、前記エポキシ樹脂を硬化した後に、エッチングにより前記導体箔から導体回路を形成してなる金属ベース回路基板であって、前記エポキシ樹脂がＣＴＢＮ変性型エポキシ樹脂であり、しかも前記絶縁層の３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０２以上２×１０６Ｐａ／Ｋ以下であることを特徴とする金属ベース回路基板である。
【０００９】
また、本発明は、金属板上に多層構造を有し、エポキシ樹脂からなる絶縁層を介して導体箔を載置し、前記エポキシ樹脂を硬化した後に、エッチングにより前記導体箔から導体回路を形成してなる金属ベース回路基板であって、該多層構造を構成する単位絶縁層の１層以上について、エポキシ樹脂がＣＴＢＮ変性型エポキシ樹脂であり、しかも単位絶縁層の３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０２以上２×１０６Ｐａ／Ｋ以下であることを特徴とする金属ベース回路基板であり、好ましくは、３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０２以上２×１０６Ｐａ／Ｋ以下である単位絶縁層が、金属板に接していることを特徴とする前記の金属ベース回路基板である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明を説明する。図１及び図２は、いずれも本発明の金属ベ−ス回路基板の一例を示す図である。金属板１上に絶縁層２を有し、前記絶縁層２上に導体回路３が設けられている。導体回路３上に、例えば抵抗チップなどの電子部品５が半田４により固定されている。電子部品５は、図においては二つの導体回路３上に設けられているが、一つの導体回路に設けられていても構わない。また、本発明において、絶縁層２が１層以上の単位絶縁層から構成され、単位絶縁層が一層（図１参照）であっても、複数の単位絶縁層から構成されていても構わない。図２においては、２つの単位絶縁層６、７からなる絶縁層２の場合の金属ベース回路基板を例示している。
【００１１】
絶縁層２は、金属ベース回路基板の熱放散性を高く維持するためにいろいろな無機充填剤を含有することが好ましい。また、絶縁層が多層構造を有する場合には、樹脂の種類、無機充填剤の種類、樹脂への添加剤等の種類、或いはそれらの量的割合を変更した少なくとも２種類以上の単位絶縁層で構成されている。例えば、単位絶縁層が３層以上で構成されている場合、いずれの単位絶縁層が異なる組成であっても、また隣り合う単位絶縁層が異なる組成で、隣り合わない単位絶縁層が同一組成であっても構わない。
【００１２】
本発明者らは、耐電圧特性が高く、しかも高熱伝導率を有するという特性を損なうことなく、耐半田クラック性に優れる単位絶縁層を見いだすべく、鋭意検討し、しかも、ヤング率と熱膨張率の積をコントロールした樹脂組成物を単位絶縁層として用いれば、耐半田クラック性に優れる金属ベース回路基板を得ることができるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【００１３】
本発明に於いては、１層以上存在する単位絶縁層のうちの少なくとも１層の単位絶縁層について、３００Ｋにおけるヤング率（Ｐａ）と熱膨張率（１／Ｋ）の積が２×１０２以上２×１０６Ｐａ／Ｋ以下であり、好ましくは、２×１０３以上２×１０５Ｐａ／Ｋ以下である。３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０６Ｐａ／Ｋを越えると応力を緩和する効果が充分に発揮されなくなり、３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０２Ｐａ／Ｋを下回るものは製造上容易でない。前記範囲以外の場合には、本発明の目的を達成できないことがある。また、複数層存在する単位絶縁層の金属板に接する側の単位絶縁層のヤング率と熱膨張率の積が小さくなるようにすることが、より効果的に本発明の目的を達成できる。
【００１４】
単位絶縁層に用いられる樹脂としては、耐熱性、電気絶縁性に優れた樹脂であればどのようなものであっても良いが、耐熱性や寸法安定性の点から熱硬化性樹脂が好ましく、更に熱硬化性樹脂の中では、常温または加熱下で比較的低粘度で取扱い易く、耐熱性や電気絶縁性や接着性等に優れるエポキシ樹脂が好ましい。尚、エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂を主成分としてフェノール樹脂やポリイミド樹脂等を併用したものでもよい。本発明に於いては、ＣＴＢＮ変性型エポキシ樹脂を選択する。
【００１５】
絶縁層に用いられる無機充填剤としては、電気絶縁性が良好で、しかも高熱伝導率のものが用いられ、このようなものとして酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素等があげられ、これらの単独でも複数を組み合わせても用いることができる。特に、酸化アルミニウムは粒子形状が球状で高充填可能なものが安価に、容易に入手できるという理由から好ましく、窒化ホウ素は誘電率が低いという理由で好ましい。
【００１６】
又、前記無機充填剤の添加量は単位絶縁層をなす樹脂組成物中５０〜８０体積％が好ましい。５０％未満では放熱性の効果が低下し実用上用途が制限されることがあるし、８０％を超えると樹脂中への分散が難しくなるし、また接着性の低下やボイド残存による耐電圧の低下をきたすためである。
【００１７】
本発明において、絶縁層全体の厚みは１０〜５００μｍ程度あれば良い。３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０２以上２×１０６Ｐａ／Ｋ以下、好ましくは２×１０３以上２×１０５Ｐａ／Ｋ以下の単位絶縁層の厚みは１０〜２００μｍあれば本発明の目的を達成するに十分であるが、２０〜８０μｍとするときは金属ベース回路基板を生産性高く製造できるという利点も有することから好ましい。
【００１８】
導体回路３を構成する金属箔としては、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、錫、金、銀、モリブデン、チタニウムのいずれか、これらの金属を２種類以上含む合金、或いは前記金属又は合金を使用したクラッド箔等を用いることができる。尚、前記金属箔の製造方法は電解法でも圧延法で作製したものでもよく、また、金属箔上にはＮｉメッキ、Ｎｉ−Ａｕメッキ、半田メッキなどの金属メッキがほどこされていてもかまわない。尚、絶縁層２との接着性の点から、導体回路３の絶縁層に接する側の表面はエッチングやメッキ等により予め粗化処理されていることが一層好ましい。
【００１９】
本発明に用いられる金属板１は、アルミニウム、鉄、銅およびそれらの合金、もしくはこれらのクラッド材等からなり、その厚みは特に規定するものではないが、熱放散性に富みしかも経済的であることから、厚み０．５〜５．０ｍｍのアルミニウムが一般的に選択される。
【００２０】
尚、本発明の金属ベース回路基板の製造方法に関しては、無機充填剤を含有するエポキシ樹脂に適宜硬化剤等の添加剤を添加した絶縁材料を複数準備し、金属板及び／又は導体箔上に単層又は多層塗布しながら、必要に応じて加熱処理等を施して、硬化させ、その後導体箔よりエッチングにより回路形成する方法が選択される。
【００２１】
【実施例】
〔実施例１〕
厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板上に、酸化アルミニウムを６０体積％含有するＣＴＢＮ（カルボキシル基末端ブタジエン−アクリロニトリル共重合体）変性型エポキシ樹脂（東都化成（株）製エポトートＹＲ−４５０）からなる樹脂組成物Ａを、硬化後の厚さが５０μｍになるように１層目を形成し、１５０℃で１５分加熱した。
【００２２】
次に、硬化した樹脂組成物Ａの上に、酸化アルミニウムを７０体積％含有するビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（油化エポキシ（株）製エピコート８２８）からなる樹脂組成物Ｂにより、硬化後の厚さが８０μｍの２層目を形成し、１５０℃で１０分加熱した。
【００２３】
更に、硬化した樹脂組成物Ｂの上に、厚さが７０μｍの銅箔をプレス積層した後、１５０℃で５時間の条件で樹脂組成物Ａ、Ｂを硬化させて、金属ベ−ス基板を作製し、次に、銅箔をエッチングしてパッド部を有する所望の回路を形成して、金属ベース回路基板とした。
【００２４】
尚、上記樹脂組成物Ａ並びに樹脂組成物Ｂのそれぞれについて、上述の樹脂組成物の硬化条件と同一の条件で硬化させた試片を用意し、３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率を測定した。ヤング率は、動的粘弾性測定器（東洋ボールドウィン社製；ＲＨＥＯＶＩＢＲＯＮ  ＤＤＶ−３−ＥＰ型）を用い、周波数１１Ｈｚ、昇温速度２℃／分の条件で、熱膨張率は、熱機械的分析装置（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ１２０）により測定した。樹脂組成物Ａの３００Ｋにおけるヤング率は１．２×１０８Ｐａで熱膨張率が１１０×１０−６／Ｋであり、ヤング率と熱膨張率の積は１．３×１０４Ｐａ／Ｋであった。また、樹脂組成物Ｂのヤング率は３．３×１０１０Ｐａで熱膨張率は１０×１０−６／Ｋであり、ヤング率と熱膨張率の積は３．３×１０５Ｐａ／Ｋであった。
【００２５】
次に、前記操作で得た金属ベース回路基板の銅箔パッド間にチップサイズ２．１ｍｍ×２．５ｍｍ、３．２ｍｍ×２．５ｍｍ、５．０ｍｍ×２．５ｍｍの３種類のチップ抵抗を各１０個ずつ搭載しモジュールとした。チップ抵抗の搭載に際しては、鉛−錫共晶半田を用い、２３０℃の温度でリフローにより半田付けを行なった。
【００２６】
上記モジュールに関して、気相中において−４０℃７分保持〜＋１２５℃７分保持を１サイクルとして所定回数処理するヒートサイクル試験を行い、試験後のモジュールを光学顕微鏡で主に半田部分のクラックの発生の有無を観察した。その結果を表１に示したとおり、５００回経過後に何ら異常がなく、良好であった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
〔実施例２〕
厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板上に、樹脂組成物Ａを硬化後の厚さが５０μｍになるように１層目を形成し、１５０℃で１５分加熱した。その上に酸化アルミニウム６０体積％含有するダイマー酸グリシジルエステル（油化エポキシ（株）製エピコート８７１）からなる樹脂組成物Ｃにより、硬化後の厚さが８０μｍの２層目を形成し、１５０℃で１０分加熱した。更に、その上に厚さが７０μｍの銅箔をプレス積層した後、１５０℃で５時間の条件で樹脂組成物を硬化させて金属ベ−ス基板を作製し、更に、銅箔をエッチングしてパッド部を有する所望の回路を形成して、金属ベース回路基板とした。この金属ベース回路基板を用いて、実施例１と同様にモジュールを作成して、ヒートサイクル試験を実施し、結果を表１に示した。
【００２９】
また、実施例１で記したとおりに、樹脂組成物Ｃの硬化体についてヤング率と熱膨張率を測定したところ、３００Ｋにおけるヤング率は９．１×１０７Ｐａで熱膨張率は５５×１０−６／Ｋであり、ヤング率と熱膨張率の積は５．０×１０３Ｐａ／Ｋであった。
【００３０】
〔比較例〕
実施例１で１層目にも２層目にも樹脂組成物Ｂを用いたこと以外は、実施例１と同じ操作で金属ベース回路基板、更にモジュールを作製し、ヒートサイクル試験を実施した。この結果を表１に示した。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の金属ベ−ス回路基板は、絶縁層の少なくともその一部に、３００Ｋにおけるヤング率と熱膨張率の積が２×１０３以上２×１０５Ｐａ／Ｋ以下の単位絶縁層を有することから、実使用条件下で受ける厳しい温度変化によっても半田及びその周辺部にクラックを生じることがなく信頼性の高いモジュールを提供することができる。
【００３２】
本発明のモジュールは、前記金属ベース回路基板を用いているので、例えば−４０℃〜１２５℃の繰り返しのような厳しい温度変化を受けた際にも、半田及びその周辺部にクラックを生じることがなく、信頼性が高く産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属ベース回路基板（絶縁層が一つの単位絶縁層からなる場合）の一例を示す断面図。
【図２】本発明の金属ベース回路基板（絶縁層が二つの単位絶縁層からなる場合）の一例を示す断面図
【符号の説明】
１    金属板
２    絶縁層
３    導体回路
４    半田
５    電子部品（抵抗チップ）
６    単位絶縁層
７    単位絶縁層
【図１】
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【図２】
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