JPH118450A - 金属ベース回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】応力緩和性と放熱性に優れる金属ベース回路基
板を提供する。 【解決手段】金属板上に多層構造を有する絶縁層を介し
て回路が載置され、前記絶縁層が複数の樹脂組成物層か
らなり、しかも前記樹脂組成物層の１層以上が４０℃で
２×１０¹⁰Ｐａ以下の弾性率である金属ベース回路基板
であり、好ましくは、前記４０℃で２×１０¹⁰Ｐａ以下
の弾性率の樹脂組成物層と回路との間に他の樹脂組成物
層を存在させてなる前記の金属ベース回路基板である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、応力緩和性に優
れ、しかも放熱性に優れた金属ベ−ス回路基板に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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、その上に
導電回路を配設した金属ベース回路基板が、熱放散性に
優れることから高発熱性電子部品を実装する回路基板と
して用いられている。

【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、放熱面積の大きな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】従来の金属ベ−ス回路基板は、熱放散性や
経済的な理由からアルミニウム板を用いることが多い
が、実使用下で加熱／冷却が繰り返されると、前記アル
ミニウム板と電子部品、特にチップ部品との熱膨張率の
差に起因して大きな熱応力が発生し、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など電
気的信頼性が低下するという問題点がある。

【０００５】又、絶縁層に低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。しかし、チップ部品のサイズが大きく
なればなるほど前記材料の弾性率を大幅に下げる必要が
あるが、低弾性率の材料は一般にアルミニウムや回路導
体の銅とは密着性が弱く、そのために、導電箔と金属板
との密着性に優れる金属ベース回路基板が得られないと
いう問題がある。特に、導電箔の金属板との密着性は高
温度下で著しく低下するために、耐熱性に優れる金属ベ
ース回路基板が得難い。

【０００６】

【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、金属板と導電回路との密
着性に優れ、しかも応力緩和に優れるので、急激な加熱
／冷却を受けても半田或いはその近傍でクラック発生等
の異常を生じない、熱放散性に優れる金属ベ−ス回路基
板を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属板上に多
層構造を有する絶縁層を介して回路が積層されてなる金
属ベ−ス回路基板であって、前記絶縁層が少なくとも２
種以上の樹脂組成物層からなり、しかも前記樹脂組成物
層の少なくとも１層が−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐ
ａ以下であることを特徴とする金属ベ−ス回路基板であ
る。

【０００８】又、本発明は、−４０℃の弾性率が２×１
０¹⁰Ｐａ以下である樹脂組成物層と回路との間に、少な
くとも１層以上の他の樹脂組成物層を介在させてなるこ
とを特徴とする前記の金属ベ−ス回路基板であり、好ま
しくは、−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下である
樹脂組成物層がエポキシ樹脂硬化体からなる前記金属ベ
ース回路基板である。

【０００９】加えて、本発明は、樹脂組成物層が０℃以
下のガラス転移温度を有するゴム系高分子を含有するこ
とを特徴とする前記の金属ベ−ス回路基板である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明について
説明する。図１及び図２は、いずれも本発明の金属ベ−
ス回路基板の一例の断面図である。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６が設けられてい
る。本発明においては、絶縁層２が多層構造を有する。
図１においては前記絶縁層２が２つの樹脂組成物層３、
４からなり、図２においては３つの樹脂組成物層３、
４、５から構成されている多層構造を例示しているが、
本発明においてはこれに限定されるものではない。

【００１１】本発明の樹脂組成物層３、４、５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く、前記絶縁層
２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種類以上の樹脂組成物層で構成されている。例え
ば、図２において、樹脂組成物層３、４、５がいずれも
異なる組成であっても、また樹脂組成物層３と５が同一
組成であり、樹脂組成物層４が前記二つの樹脂組成物層
３と５とは組成が相違していても構わない。

【００１２】本発明に於いては、複数存在する前記樹脂
組成物層のうちの少なくとも１層が、−４０℃の弾性率
が２×１０¹⁰Ｐａ以下であることが本質的である。この
−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下の樹脂組成物層
が少なくとも１層以上存在するときに、本発明の目的を
達成することができるからである。

【００１３】従来公知の樹脂組成物の弾性率は、例えば
エポキシ樹脂に無機充填剤を高充填した場合、−４０℃
のときに約３×１０¹⁰Ｐａ程度であるが、本発明者ら
は、従来公知の樹脂組成物の無機充填剤を高充填でき、
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、弾性率を低くするべく実験的に検
討した結果、後述するごとく、−４０℃でも２×１０¹⁰
Ｐａ以下の弾性率を有する樹脂組成物を得ることを見い
だし、この低弾性率の樹脂組成物を用いて応力緩和性に
優れる金属ベース回路基板が得られ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。

【００１４】本発明者らの検討結果によれば、金属ベー
ス回路基板が実用条件下で加熱／冷却履歴を受けて発生
する熱応力は、−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下
である樹脂組成物層が少なくとも１層以上存在すること
で緩和され、前記樹脂組成物層の絶縁層内での位置は特
定する必要がないことを見いだした。更に、本発明者ら
は、−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下である樹脂
組成物層と回路との間に、少なくとも１層以上の他の、
即ち−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下ではない樹
脂組成物層を介在させるときに、導体回路と金属板との
接着力が高温下においても高く維持されることを見いだ
し、本発明に至ったものである。

【００１５】本発明の−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐ
ａ以下である樹脂組成物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−ル樹脂やポリイミド樹脂等を併用したものでもよ
い。

【００１６】弾性率を下げるために、（１）通常のエポ
キシ樹脂にブタジエン系ゴム、アクリルゴム、シリコン
ゴム等のゴムを分散させる、（２）ウレタン変性を施こ
す、（３）ダイマ−酸グリシジルエステル、ポリグリコ
−ル型エポキシ樹脂、ブチルエ−テル変性ビスフェノ−
ルＡ型エポキシ樹脂等の可撓性エポキシ樹脂を使用す
る、（４）通常のエポキシ樹脂に変性ポリアミン系等の
可撓性硬化剤を使用する、或いは（５）それらを組み合
わせ使用すること等を採用することができる。

【００１７】特に、低温領域で低弾性率の樹脂組成物を
得るには、ガラス転移温度が０℃以下のゴム系高分子を
分散させることが好ましく、回路基板の使用条件が極め
て低い気温を想定する場合は、更に低いガラス転移温度
のものを分散させることが好ましい。ゴム系高分子を分
散させるには、既にゲル化したゴム粒子をエポキシ樹脂
に添加後エポキシ樹脂を硬化させたり、液状ゴムをエポ
キシ樹脂に溶解させておいて、エポキシ樹脂硬化時に相
分離させてゴムを分散させる等の様々な方法を採用する
ことができる。

【００１８】本発明の−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐ
ａ以下である樹脂組成物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珪素、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
り、単独系でも混合系でも用いることができる。これら
のうち、酸化珪素、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、容易に入手できることか
ら、窒化硼素は誘電率の低いという理由で好ましい。

【００１９】又、前記無機充填剤の添加量は樹脂組成物
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、−４
０℃で２×１０¹⁰Ｐａ以下の弾性率を有する樹脂組成物
が得にくくなるし、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。

【００２０】本発明において、−４０℃の弾性率が２×
１０¹⁰Ｐａ以下である樹脂組成物層の厚みは１０〜１０
０μｍ程度あれば良く、ことに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ことか
ら好ましい。

【００２１】−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下で
ある樹脂組成物以外の樹脂組成物、即ち−４０℃の弾性
率が２×１０¹⁰Ｐａを越える樹脂組成物に用いる樹脂の
種類に関しては、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も構わないが、樹脂組成物層同士
が十分に接着するように、前記−４０℃の曲げ弾性率が
２×１０¹⁰Ｐａ以下である樹脂組成物に用いた樹脂と同
系統であることが好ましい。

【００２２】また、−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ
以下である樹脂組成物以外の樹脂組成物に用いる無機充
填剤についても、電気絶縁性が良好で、しかも高熱伝導
率のものであれば良く、例えば酸化珪素、酸化アルミニ
ウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素等を単
独または複合して用いることができる。なお、隣接し合
う樹脂組成物層が樹脂及び無機充填剤が同一の場合、無
機充填剤の添加量の差異を３％程度付すことで、それぞ
れの樹脂組成物層が、例えば走査型電子顕微鏡を用いて
それらの断面を観察するときに、明瞭に区分できる。

【００２３】前記−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以
下である樹脂組成物層以外の樹脂組成物層の厚さについ
ても、１０〜１００μｍ程度であれば良く、生産性高く
金属ベース回路基板を製造できることから、２０〜８０
μｍが好ましく選択される。

【００２４】本発明において、少なくとも導体回路６に
接する樹脂組成物層を形成する樹脂中に予めエポキシシ
ラン、アミノシラン等のシランカップリング剤を配合す
ることで、導体回路６と絶縁層２の接着性を向上するす
るのが望ましい。

【００２５】導体回路６としては、銅、アルミニウム、
ニッケル、鉄、錫、銀、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、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
が、絶縁層２との接着性の点から導体回路６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。

【００２６】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。

【００２７】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
わせ回路形成する方法、或いは前記方法に於いて導体箔
に変えて予め回路形成されている導体回路を直接に用い
る方法等の従来公知の方法で得ることができる。

【００２８】以下、実施例に基づき、本発明を更に詳細
に説明する。

【００２９】

【実施例】

〔実施例１〕厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板に、まず
樹脂組成物Ａ（表１に示す）により、硬化後の厚さが５
０μｍ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、樹脂組成物Ｂ（表１に示す）によ
り、硬化後の厚さが５０μｍ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３５μｍ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。また、前記樹脂組
成物を用いて１５０℃で５時間硬化させて、厚さ約１ｍ
ｍ幅約２ｍｍ長さ約５０ｍｍの試験片を別途作製し、弾
性率の測定に供した。

【００３０】上記の樹脂硬化体については、動的粘弾性
測定器（東洋ボ−ルドウィン社製；ＲＨＥＯＶＩＢＲＯ
Ｎ ＤＤＶ−ＩＩＩ−ＥＰ型）を用い、周波数１１Ｈ
ｚ、昇温速度２℃／分の条件下、−１００℃〜＋１５０
℃の温度範囲で弾性率を測定した。表１に−４０℃での
弾性率測定結果を示した。又、金属ベ−ス基板について
の２０℃及び１２５℃雰囲気下での銅箔ピ−ル強度測定
結果と、金属ベース回路基板についてのヒ−トサイクル
試験と熱抵抗とを次に示す条件で測定し、その測定結果
を表２に示した。

【００３１】＜銅箔ピール強度測定方法＞テンシロン
（オリエンテック社製；型式ＵＣＴ−１Ｔ）を用い、１
ｃｍ幅で９０度方向に５０ｍｍ／分の速度で剥離した時
の強度を求めた。測定は２０℃と１２５℃で測定した。

【００３２】＜ヒ−トサイクル試験方法＞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個ずつ半田付けし、−４０℃７分〜＋１２５℃
７分を１サイクルとして５００回のヒートサイクル試験
を行なった後、顕微鏡で半田部分のクラックの有無を観
察した。

【００３３】＜熱抵抗の測定方法＞パッド上にトランジ
スタ−（ＴＯ−２２０；株式会社東芝製）を半田付け
し、試料とした。金属ベース回路基板のトランジスタ−
を搭載していない面を冷却しながら、トランジスタ−に
通電して、トランジスタ−と冷却部金属板の温度をそれ
ぞれ測定した。トランジスタ−への通電量と、トランジ
スタ−と金属板の温度差より熱抵抗を算出した。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】〔実施例２〕厚さ２．０ｍｍのアルミニウ
ム板に、まず樹脂組成物Ｂにより、硬化後の厚さが５０
μｍになるように１層目を形成し、１５０℃で１０分加
熱した。その上に、樹脂組成物Ａにより、やはり硬化後
の厚さが５０μｍの２層目を形成し、１５０℃で１５分
加熱した。更に、その上に、樹脂組成物Ｂにより、硬化
後の厚さが５０μｍになるように３層目を形成し、１５
０℃で１０分加熱した。その後、その上に厚さが３５μ
ｍの銅箔をプレス積層した後、１５０℃で５時間で樹脂
組成物を硬化させて金属ベ−ス基板を作製した。この金
属ベ−ス基板とこれより得た金属ベース回路基板を用い
て、実施例１と同様にしていろいろな物性を測定した。
それらの結果を表２に示した。

【００３７】〔実施例３〜５〕実施例１で１層目の樹脂
組成物Ａを樹脂組成物Ｃ〜Ｅ（表１に示す）に変えた以
外は、実施例１と同じ操作でいろいろな金属ベ−ス基板
と金属ベース回路基板を作製し、実施例１と同じ方法で
物性測定した。これらの結果を表１及び表２に示した。

【００３８】〔比較例１〕実施例１で１層目にも２層目
にも樹脂組成物Ｂを用いた以外は、実施例１と同じ操作
で金属ベ−ス基板と金属ベース回路基板を作製し、物性
を測定した。これらの結果を表２に示した。

【００３９】〔比較例２〕実施例１で１層目も２層目も
樹脂組成物Ａを用いた以外は、実施例１と同じ操作で金
属ベ−ス基板、金属ベース回路基板を作製し、物性を測
定した。これらの結果を表２に示した。

【００４０】〔比較例３〕実施例１で１層目の樹脂組成
物Ａを樹脂組成物Ｆ（表１に示す）に変えた以外は、実
施例１と同じ操作で金属ベ−ス基板、金属ベース回路基
板を作製し、物性を測定した。これらの結果を表１及び
表２に示した。

【００４１】

【発明の効果】本発明の金属ベ−ス回路基板は、絶縁層
を複数組成の樹脂組成物層で多層化し、少なくともその
一部に−４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下の樹脂組
成物層を存在させているので、低温でも応力緩和性に非
常に優れ、実使用条件下で受ける激しい温度変化によっ
ても半田部分にクラックを生じることがなく高信頼性の
混成集積回路を提供することができる。

【００４２】加えて、本発明の金属ベース回路基板は、
前記樹脂組成物層が無機充填剤を含有していても良く、
従来からの熱放散性が優れる点、耐電圧等の電気絶縁性
に優れる点等が良好のままに維持されていながら、前記
応力緩和性が改善されているので、自動車のエンジンル
−ム等過酷な環境でも使用することができ、産業上非常
に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の多層回路基板の一例を示す断面図

【図２】 本発明の多層回路基板の他の一例を示す断面
図

【符号の説明】

１ 金属板 ２ 絶縁層 ３ 樹脂組成物層（第一層） ４ 樹脂組成物層（第二層） ５ 樹脂組成物層（第三層） ６ 導体回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 和男 東京都町田市旭町３丁目５番１号 電気化 学工業株式会社総合研究所内 (72)発明者 米村 直己 群馬県渋川市中村1135番地 電気化学工業 株式会社渋川工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属板上に多層構造を有する絶縁層を介
   して回路が載置されてなる金属ベ−ス回路基板であっ
   て、前記絶縁層が少なくとも２種以上の樹脂組成物層か
   らなり、しかも前記樹脂組成物層の少なくとも１層が−
   ４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下であることを特徴
   とする金属ベ−ス回路基板。
2. 【請求項２】 −４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下
   である樹脂組成物層と回路との間に、少なくとも１層以
   上の他の樹脂組成物層を介在させてなることを特徴とす
   る請求項１記載の金属ベ−ス回路基板。
3. 【請求項３】 −４０℃の弾性率が２×１０¹⁰Ｐａ以下
   である樹脂組成物層がエポキシ樹脂硬化体からなること
   を特徴とする請求項１または請求項２記載の金属ベ−ス
   回路基板。
4. 【請求項４】 樹脂組成物層が０℃以下のガラス転移温
   度を有するゴム系高分子を含有してなることを特徴とす
   る請求項１、請求項２または請求項３記載の金属ベ−ス
   回路基板。