(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板上に多層構造を有する絶縁層を介して回路を設けてなる金属ベ−ス回路基板と、前記回路上に設けられる半田接合部と、前記半田接合部を介して前記回路に接合する電子部品と、を備える電子部品モジュールであって、
前記多層構造を有する絶縁層のうち前記金属板に接する単位絶縁層の厚みが２０μｍ以上８０μｍ以下であり、
前記単位絶縁層のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における前記単位絶縁層の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、前記任意の温度における前記半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であり、
前記多層構造を有する絶縁層全体を一体として測定した場合のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における前記多層構造を有する絶縁層全体を一体として測定した場合の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、前記任意の温度における前記半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であることを特徴とする電子部品モジュール。
【請求項２】
金属板上に単位絶縁層を介して回路を設けてなる金属ベ−ス回路基板と、前記回路上に設けられる半田接合部と、前記半田接合部を介して前記回路に接合する電子部品と、を備える電子部品モジュールであって、
前記単位絶縁層の厚みが１０μｍ以上２００μｍ以下であり、
前記単位絶縁層のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における前記単位絶縁層の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、前記任意の温度における前記半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であることを特徴とする電子部品モジュール。
【請求項３】
金属板上に多層構造を有する絶縁層を介して回路を設けてなる金属ベ−ス回路基板と、前記回路上に設けられる半田接合部と、前記半田接合部を介して前記回路に接合する電子部品と、を備える電子部品モジュールであって、
前記多層構造を有する絶縁層のうち前記金属板に接する単位絶縁層の厚みが２０μｍ以上８０μｍ以下であり、
前記単位絶縁層のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における前記単位絶縁層の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、前記任意の温度における前記半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であることを特徴とする電子部品モジュール。
【請求項４】
金属板上に多層構造を有する絶縁層を介して回路を設けてなる金属ベ−ス回路基板と、前記回路上に設けられる半田接合部と、前記半田接合部を介して前記回路に接合する電子部品と、を備える電子部品モジュールであって、
前記多層構造を有する絶縁層全体の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下であり、
前記多層構造を有する絶縁層全体を一体として測定した場合のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における前記多層構造を有する絶縁層全体を一体として測定した場合の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、前記任意の温度における前記半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であることを特徴とする電子部品モジュール。
【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、各種の電子部品が半田を介して接合されるのが一般的にである。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−ス回路基板を用いたモジュールを提供することを目的とするものである。
【０００６】
本発明者は、いろいろな実験的検討と有限要素法を用いた熱弾塑性解析とを組み合わせ検討した結果、−５０℃〜＋１２５℃の熱サイクルをモジュールに負荷する場合、半田の塑性歪み振幅が特定の値以下となるように金属ベース回路基板の特性を制御することが有効であること、つまり前記特定の特性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、本発明に至ったものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、金属板上に多層構造を有する絶縁層を介して回路を設けてなる金属ベ−ス回路基板と、回路上に設けられる半田接合部と、半田接合部を介して回路に接合する電子部品と、を備える電子部品モジュールであって、多層構造を有する絶縁層のうち金属板に接する単位絶縁層の厚みが２０μｍ以上８０μｍ以下であり、単位絶縁層のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における単位絶縁層の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、任意の温度における半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であり、多層構造を有する絶縁層全体を一体として測定した場合のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における多層構造を有する絶縁層全体を一体として測定した場合の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、任意の温度における半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であることを特徴とする電子部品モジュールが提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、金属板上に単位絶縁層を介して回路を設けてなる金属ベ−ス回路基板と、回路上に設けられる半田接合部と、半田接合部を介して回路に接合する電子部品と、を備える電子部品モジュールであって、単位絶縁層の厚みが１０μｍ以上２００μｍ以下であり、単位絶縁層のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における単位絶縁層の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、任意の温度における半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であることを特徴とする電子部品モジュールも提供される。
また、本発明によれば、金属板上に多層構造を有する絶縁層を介して回路を設けてなる金属ベ−ス回路基板と、回路上に設けられる半田接合部と、半田接合部を介して回路に接合する電子部品と、を備える電子部品モジュールであって、多層構造を有する絶縁層のうち金属板に接する単位絶縁層の厚みが２０μｍ以上８０μｍ以下であり、単位絶縁層のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における単位絶縁層の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、任意の温度における半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であることを特徴とする電子部品モジュールも提供される。
また、本発明によれば、金属板上に多層構造を有する絶縁層を介して回路を設けてなる金属ベ−ス回路基板と、回路上に設けられる半田接合部と、半田接合部を介して回路に接合する電子部品と、を備える電子部品モジュールであって、多層構造を有する絶縁層全体の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下であり、多層構造を有する絶縁層全体を一体として測定した場合のガラス転移点以下かつ−５０℃以上の任意の温度における多層構造を有する絶縁層全体を一体として測定した場合の貯蔵弾性率および熱膨張率の積と、任意の温度における半田接合部の縦弾性率および熱膨張率の積と、の比が０．１以上１．０以下の値であることを特徴とする電子部品モジュールも提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のモジュールに用いる金属ベース回路基板は、金属板の少なくとも一主面上に、絶縁層を介して、回路を設けてなる構造を有し、前記絶縁層の貯蔵弾性率と熱膨張率の積が、絶縁層のガラス転移点から−５０℃の温度範囲において、該回路基板上に電子部品を接合するために用いる半田の縦弾性率と熱膨張率の積の０．１以上１．０以下の値であることを特徴としている。この構成を採用しているので、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。
【００１０】
つまり、絶縁層に低貯蔵弾性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が、絶縁層の貯蔵弾性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、単に絶縁層を低貯蔵弾性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。
【００１１】
本発明者は、上述したとおりに、いろいろな実験と有限要素法を用いた熱弾塑性解析とを組み合わせて検討した結果、絶縁層の低貯蔵弾性率化とともに、低熱膨張率化をも併せて達成することが重要であること、そして絶縁層の貯蔵弾性率と熱膨張率の積と、回路基板上に電子部品を接合するために用いる半田の縦弾性率と熱膨張率の積とが前記所定範囲内にある時に、本発明の効果が達成できることを見出したものである。尚、ここで、本発明にいう半田としては特に限定はなく、鉛−錫を含む各種の２元、３元系半田であっても、鉛を含まない各種の２元、３元系半田、例えば金、銀、銅、錫、ビスマス、インジウム、亜鉛などを含む半田であってもよい。
【００１２】
また、半田クラックが問題となる部品が搭載されたモジュールにおいては、実使用環境下で−５０℃近い過酷な低温に曝されることがあるが、絶縁層の貯蔵弾性率は一般に低温ほど大きく、熱膨張係数はガラス転移点を境に大きくなるため、耐半田クラック性を良くするには、ガラス転移点から−５０℃の温度範囲における、半田および絶縁層の弾性率および熱膨張率が重要である。
【００１３】
本発明において、絶縁層は単層であるばかりでなく、多層構造を有するものであっても良い。絶縁層が多層構造を有する場合には、多層構造を構成する個々の絶縁層、即ち単位絶縁層の少なくとも１層について、前記関係が成立すれば良い。更に、絶縁層が多層構造を有する場合、前記特定の特性を有する単位絶縁層が金属板に接するように設けられているとき、本発明の効果が一層確実に得ることができ、好ましい。
【００１４】
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、ガラス転移点から−５０℃の温度範囲において、該単位絶縁層の貯蔵弾性率と熱膨張率の積が該回路基板上に電子部品を接合するために用いる半田の縦弾性率と熱膨張率の積の０．１以上１．０以下、好ましくは０．２以上０．９以下である。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。
【００１５】
また、絶縁層は、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。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。
【００１６】
本発明において、単位絶縁層に用いられる樹脂としては、耐熱性、電気絶縁性に優れ上記特性が得られる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。
【００１７】
前記エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂などの可撓性を有しないエポキシ樹脂やダイマー酸エポキシ樹脂などの可撓性を有するエポキシ樹脂が使用できる。またアクリルゴムなどで予め変性したエポキシ樹脂も使用できる。硬化剤についてはフェノール樹脂などの可撓性を有しない硬化剤や脂肪族系炭化水素のジアミンなどの可撓性を有する硬化剤が使用でき、これらの硬化剤とエポキシ樹脂の組み合わせで、本発明に適合する配合が選択できる。また、硬化促進剤についても必要に応じて使用してもよい。これらの硬化剤以外にポリイミド樹脂、フェノキシ樹脂などの樹脂成分やシリコーンゴムなどのゴム等をブレンドして貯蔵弾性率と熱膨張率を調整することができる。
【００１８】
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。このように必要な用途に合わせて無機充填剤を選定する必要がある。
【００１９】
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の４０〜７５体積％が好ましい。４０％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。また７５％を超えると樹脂中への分散が難しくなり、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他、本発明に言う貯蔵弾性率が大きくなり部品の耐半田クラック上好ましくないためである。
【００２０】
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。単位絶縁層のガラス転移点から−５０℃の温度範囲において、その貯蔵弾性率と熱膨張率の積が半田の縦弾性率と熱膨張率の積の０．１以上１．０以下である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。
【００２１】
回路は、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の金属箔からエッチング等の処理を行って得ることができる。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、絶縁層との接着性の点から、回路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。
【００２２】
本発明に用いられる金属板は、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。
【００２３】
尚、本発明のモジュールに用いる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等により回路形成する方法、或いは予め絶縁材料からなるシ−トを作製しておき、前記シートを介して金属板や導体箔を張り合わせた後エッチング等により回路形成する方法等の従来公知の方法で得ることができる。
【００２４】
尚、本発明におけるガラス転移点は動的粘弾性測定における損失正接（tanδ）のピーク値を用いることとする。
【００２５】
【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５０体積％含有するダイマー酸グリシジルエステル（油化シェルエポキシ株式会社製エピコート８７１）エポキシ樹脂からなる樹脂組成物Ａ（硬化剤はメタフェニレンジアミンＭＰＤＡ）を、硬化後の厚さが１００μｍになるように塗布し、１５０℃で１０分加熱後、７０μｍの銅箔を５０℃でプレス積層し、接合した。
【００２６】
次に、１５０℃で５時間加熱し、樹脂組成物を硬化させて金属ベース基板を作製し、得られた金属ベース基板の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。
【００２７】
尚、上記樹脂組成物Ａ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験片を用意し、−５０℃から１５０℃における貯蔵弾性率、ガラス転移点、および熱膨張率を測定した。貯蔵弾性率とガラス転移点は、動的粘弾性測定器（レオメトリックス社製；ＲＳＡ２、試片はフィルム）を用い、周波数１１Ｈｚ、昇温速度１０℃／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のガラス転移点は損失正接のピーク温度から４４℃であった。表１にガラス転移点以下の温度（−５０℃、−１０℃、２０℃、４０℃）における樹脂組成物Ａの貯蔵弾性率と熱膨張率、及びその両方の値の積を示した。
【００２８】
【表１】
0004296684.tif 000002
【００２９】
次に、鉛３７錫６３からなる共晶半田を用い、円筒状のダンベル試片を作製し、−５０℃、−１０℃、２０℃、４０℃の各温度で引っ張り試験を行い、応力−歪み曲線の直線部から縦弾性率を求めた。熱膨張率を樹脂組成物Ａと同様に測定し、それぞれの温度における縦弾性率と熱膨張率、及びその両方の値の積を表１に示した。
【００３０】
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２．０ｍｍ×１．２５ｍｍのチップ抵抗を１０個搭載しモジュールとした。チップ抵抗の搭載に際しては、前記鉛−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。
【００３１】
前記モジュールについて、液相中において−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を用いて主に半田部分のクラックの発生の有無を観察した。その結果は表２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。
【００３２】
【表２】
0004296684.tif 000003
【００３３】
〔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。その上に樹脂Ａにおいて酸化アルミニウム量を７０体積％に変化させた樹脂組成物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。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Ａ、Ｂのいずれも硬化させて金属ベ−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た。この結果を表２に示した。実施例１と同様良好なヒートサイクル性を有していた。
【００３４】
また、実施例１と同様に、樹脂組成物Ｂの硬化体についてもガラス転移点を測定したところ４６℃であり、樹脂組成物Ａと変わらないことを確認した。また、貯蔵弾性率と熱膨張率を測定した。その値を表３に示した。
【００３５】
【表３】
0004296684.tif 000004
【００３６】
更に、実施例２で得た金属ベース基板の銅箔をエッチングして除去し、樹脂組成物（Ａ＋Ｂ）を得て、実施例１と同様にガラス転移点と貯蔵弾性率を測定した。熱膨張率は樹脂組成が同じ試験片を別途作製し、実施例１と同様に測定した。測定結果を表４に示した。
【００３７】
【表４】
0004296684.tif 000005
【００３８】
〔比較例〕
実施例２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２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２に示した。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のモジュールに用いる金属ベース回路基板は、絶縁層の少なくともその一部に、ガラス転移点以下−５０℃の温度範囲において、貯蔵弾性率と熱膨張率の積が回路基板上に電子部品を接合する半田の縦弾性率と熱膨張率の積の０．１以上１．０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。
【００４０】
本発明のモジュールは、前記の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、回路基板上の半田及びその周辺部にクラックを生じることがなく、信頼性が高い特徴があり、産業上有用である。