CN104303605B - 金属基印刷电路板 - Google Patents

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Abstract

一种通过抑制铜离子的溶出而防止电化学迁移的高热导率的印刷电路板。该印刷电路板是金属基印刷电路板，其具有金属基板，绝缘树脂层和铜箔层顺序地层叠在金属基板上。绝缘树脂层包括第一无机填充物和第二无机填充物，其中，第一无机填充物由粒子直径为0.1nm至600nm并且平均粒子直径(D50)为1nm至300nm的无机粒子组成，第二无机填充物由粒子直径为100nm至100μm并且平均粒子直径(D50)为500nm至20μm的无机粒子组成，第一无机填充物和第二无机填充物均匀地分散在绝缘树脂层中。

Description

金属基印刷电路板
技术领域
本发明涉及能够防止发生电化学迁移的金属基印刷电路板。
背景技术
印刷电路板是电子装置和电气装置的必要元件。印刷电路板具有多种结构，例如单面印刷电路板、双面印刷电路板以及多层印刷电路板。通过焊接将诸如电阻、电容、电抗器和变压器的设备来组装至印刷电路板。
近来，为了散发在功率半导体或LED设备操作时所产生的热量，包括铜箔层、绝缘树脂层以及金属基板的金属基印刷电路板被越来越多地使用。为了节能，已经越来越多地使用控制电源的功率半导体、和与白炽灯泡相比以更少电力来发光的LED。
例如，金属基印刷电路板具有如下结构：在厚度为约1mm至约2mm的金属基板上顺序地层叠绝缘树脂层和铜箔层，其中绝缘树脂层的厚度为约100μm至约300μm，铜箔层的厚度为约35μm至约140μm。
将通过向环氧树脂中添加诸如SiO2或Al2O3的无机填充物而获得的材料涂覆在铜箔层、PET膜等上来获得作为厚度约50μm的预浸料的绝缘树脂层。一层或多层预浸料层叠在金属基板上，再在其上层叠铜箔层。之后，这些层和板通过热压结合在一起。通过将铜箔层蚀刻为任意布线图案来获得金属基印刷电路板。作为金属基印刷电路板，例如专利文献1中描述的印刷电路板为已知的。
在将功率半导体等安装在金属基印刷电路板上的情况下，金属基印刷电路板能够在功率半导体的操作过程中适当地散热(冷却功率半导体等)。使用绝缘栅门极晶体管(IGBT)、MOS-FET(金属氧化膜半导体场效应晶体管)等作为功率半导体。由功率半导体产生的电功率达到数瓦至数十瓦。为了有效地散热，希望绝缘树脂层具有尽可能高的热导率。
迄今为止通常用于金属基印刷电路板的绝缘树脂层具有约1W/m·K至3W/m·K的热导率。近来，需要具有更高热导率的绝缘树脂层，并且具有改进至约5W/m·K至6W/m·K的热导率的绝缘树脂层已经被开发且被使用。
在具有约1W/m·K至3W/m·K的热导率的金属基印刷电路板的情况下，以大约80％的质量比添加诸如SiO2或Al2O3的无机填充物。为了提高热导率至约5W/m·K至6W/m·K，进而将Al2O3等添加到约80％的质量至95％的质量，或添加具有高热导率的无机填充物(诸如BN或AlN)。
通常，所用的绝缘树脂层的厚度为80μm至200μm。电压将被施加在铜箔层和金属基板之间。所施加的电压基于设备用途而变化，例如当使用1200V的IGBT元件时，将约1000V的电压施加至绝缘树脂层。因此，绝缘树脂层应长期提供可靠的绝缘性。
尤其是，需要防止电化学迁移的发生，这是在铜箔层的布线图案中发生的一种绝缘劣化现象。在该现象中，在使用设备的过程中可能发生吸湿或结露，这导致铜箔层的布线图案中的绝缘电阻下降，铜离子从铜箔溶出并通过在对电极上还原而沉积，从而形成导电路径，这导致短路。
电化学迁移还可能发生在金属基印刷电路板的绝缘树脂层中。因此，需要防止电化学迁移。尤其是，在电场强度高的铜箔端部和该端部附近铜离子容易溶出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开平6-318770号
发明内容
发明所解决的问题
为了防止电化学迁移，必须抑制多种因素。特别重要的是铜离子不应从铜箔层被溶出至绝缘树脂层中。为此，通常降低绝缘树脂层中的离子性成分以防止铜离子本身从铜箔层等溶出。可选地，尝试如下的方法，其中通过提高形成绝缘树脂层的树脂的交联密度来抑制铜离子的迁移。
但是，所有这些方法需要通过材料本身的反复检查来改良，因此难以实行。
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供抗电化学迁移性出色的印刷电路板。
解决问题所采用的手段
本发明人已经发现当绝缘树脂层由通过向树脂中添加纳米尺寸的无机填充物所得的材料构成时，能够防止铜离子本身迁移至绝缘树脂层，也就是能够防止铜离子的溶出。因此，本发明人作出本发明。
为了实现上述目的，根据本发明一种方式是以下金属基印刷电路板，其包括：金属基板，在该金属基板上顺序地层叠绝缘树脂层和铜箔层，其中，绝缘树脂层包括第一无机填充物和第二无机填充物，第一无机填充物由粒子直径为0.1nm至600nm并且平均粒子直径(D50)为1nm至300nm的无机粒子组成，第二无机填充物由粒子直径为100nm至100μm并且平均粒子直径(D50)为500nm至20μm的无机粒子组成，第一无机填充物和第二无机填充物均匀地分散在绝缘树脂层中。
发明的有益效果
本发明能够提供抑制铜离子从铜箔溶出至绝缘树脂层并且因此防止发生电化学迁移的金属基印刷电路板。
附图简要说明
图1是示出根据本发明实施方式的金属基印刷电路板的截面图。
图2是示出在根据本发明的金属基印刷电路板中空间电荷分布的测量结果图。
图3是示出对实施例1的金属基印刷电路板开始施加电场10小时后的截面图。
图4是示出对实施例2的金属基印刷电路板开始施加电场10小时后的截面图。
具体实施方式
下面将描述本发明的实施方式。但是，本发明不限于下文描述的实施方式。
本发明的金属基印刷电路板基本上包括绝缘树脂层、铜箔层和金属基板。该绝缘树脂层和铜箔层顺序地层叠在金属基板上。在金属基印刷电路板中，通常金属基板具有100μm至2mm的厚度，绝缘树脂层具有100μm至300μm的厚度，铜箔层具有9μm至140μm的厚度。，可以使用铝制、铜制、铁制等金属基板来作为金属基板。
绝缘树脂层包括第一无机填充物和第二无机填充物，第一无机填充物由粒子直径为0.1nm至600nm并且平均粒子直径(D50)为1nm至300nm的无机粒子组成，第二无机填充物由粒子直径为100nm至100μm并且平均粒子直径(D50)为500nm至20μm的无机粒子组成。第一无机填充物和第二无机填充物均匀地分散在绝缘树脂层中。这是因为当两种不同直径的无机填充物被包含且被均匀地分散时，能够抑制铜离子从铜箔层溶出并防止发生电化学迁移。
这里，平均粒子直径(D50)是指使用激光衍射式粒度分布测量装置所测量的平均粒子直径。另外，粒子直径的上限值和下限值能够根据相同的粒度分布测量装置所测量的测量结果得出。
由于金属基印刷电路板的绝缘树脂层要求将铜箔层中的热量散发至金属基板，因此绝缘树脂层必须具有耐热性。很难将热塑性树脂用于绝缘树脂层，优选地将热硬化性树脂用于绝缘树脂层。作为热硬化性树脂，例如可以使用环氧树脂、酚醛树脂、尿素树脂、不饱和聚酯树脂、烯丙树脂、热硬化性聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺-三嗪树脂或者可热固化的聚亚苯基醚基改性树脂
用于绝缘树脂层的树脂优选为环氧树脂。在热硬化性树脂中特别优选环氧树脂，这是因为环氧树脂不仅在成本方面，而且在对例如铜箔层和金属基板等金属的粘接性方面也很出色，另外还因为在环氧树脂中无机填充物能够被轻易地分散。
作为环氧树脂的主剂，由于无机填充物能够被轻易地分散在液态环氧树脂中，因此优选使用液态环氧树脂。环氧树脂的玻璃转化温度(Tg)优选为100℃至250℃。不具体限定主剂，例如可以使用双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、甲酚酚醛清漆型环氧树脂、苯酚酚醛清漆型环氧树脂、烷基酚酚醛清漆型环氧树脂、芳烷基型环氧树脂、萘型环氧树脂、二环戊二烯型环氧树脂等中的一种或该等物质的任意组合。
对于这样的环氧树脂，使用固化剂。不具体限定固化剂，例如可以使用胺基固化剂、胍基固化剂、咪唑基固化剂、含三嗪骨架的苯酚基固化剂、苯酚基固化剂、含三嗪骨架的萘酚基固化剂、萘酚基固化剂、酸酐基固化剂、活性脂基固化剂、苯并恶嗪基固化剂、氰酸酯树脂等中的一种或该等物质的任意组合。
如果需要，可以添加固化促进剂以控制环氧树脂的固化反应。作为固化促进剂，例如可以使用：诸如2-乙基-4-甲基咪唑等的咪唑、诸如苄基二甲胺等的叔胺、诸如三苯基膦等的芳香族膦、诸如三氟化硼单乙胺等的路易斯酸、以及硼酸酯等，但是固化促进剂不限于此。
可以基于环氧树脂主剂的环氧当量和固化剂的胺当量或酸酐当量来确定固化剂的混合比例。另外，当使用固化促进剂时，固化剂的混合比例优选为0.1质量％至5质量％，其中环氧树脂主剂的质量作为100％。
第一无机填充物在绝缘树脂层中的含量优选为1质量％至10质量％。如果含量低于1质量％，则难以抑制铜离子的溶出。同时，如果含量高于10质量％，则抑制铜离子溶出的效果不会进一步提高，并且由于填充物的聚集导致绝缘特性恶化，而且绝缘树脂层难以包含足够量的具有高热导性的第二无机填充物。考虑到防止铜离子溶出的效果和绝缘树脂层的热导性，第一无机填充物的含量更优选为1质量％至7质量％。
第二无机填充物在绝缘树脂层中的含量优选为1质量％至95质量％。如果含量低于1质量％，则绝缘树脂层不能提供充分的散热效果。而如果含量超过95质量％，则绝缘树脂层难以包含足够量的第一无机填充物，并且防止铜离子溶出的效果下降。另外，树脂比例减少也导致机械强度下降。考虑到防止铜离子溶出的效果和绝缘树脂层的热导性，第二无机填充物的含量更优选为30质量％至80质量％。
第一无机填充物优选为由SiO2、TiO2、MgO、Al2O3、BN以及AlN中的任一种或该等物质的任意组合组成的无机粒子。这不仅是因为上述无机填充物能够有效地防止铜离子的溶出，也是因为当通过使用上述无机填充物制备绝缘树脂层时，无机填充物不会降低热导性，并且因此不损害散热效果。
第二无机填充物优选为由Al2O3、BN、AlN以及SiO2中的任一种或该等物质的任意组合的无机粒子。这是因为上述无机填充物具有高热导性，并且从而能够在使用上述无机填充物制备绝缘树脂层时提高散热效果。
接着，通过示出制造方法的方式作为例子在制造方法方面描述本发明的金属基印刷电路板。图1是示出根据本发明实施方式的金属基印刷电路板结构的截面图。金属基印刷电路板100具有以下结构：铜箔层101和绝缘树脂层102顺序地层叠在金属基板103上。
按如下方式获得绝缘树脂层102。具体地，将第一无机填充物和第二无机填充物等在环氧树脂等中的分散体(下文也称为绝缘树脂层组成物)涂覆至铜箔层101、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜等来制备预浸料，将一层或多层预浸料互相层叠。绝缘树脂层102置于金属基板103上，铜箔层101进而层叠在其上。之后，这些层通过热压结合在一起以形成金属基印刷电路板100。铜箔层101可以被蚀刻为具有任意的布线图案。
注意本发明不仅可以应用于如图1中的实施例示出的金属基印刷电路板，而且也可以应用于具有不背离本发明精神的任何印刷电路板。另外，本发明也可以应用于用于密封的树脂。
接着，描述用于制造树脂绝缘层组成物的方法的方式。但是，本发明不限于这个方式。
对于绝缘树脂层组成物，具有较小粒子直径的第一无机填充物首先被添加至例如上述环氧树脂主剂中并进行搅拌，之后具有较大粒子直径的第二无机填充物被添加至上述环氧树脂主剂中并进行搅拌。在视觉确认不存在任何粗粒子后，可以通过使用市场销售的粉碎装置、粉末混合装置或超微粒子复合化装置分散第一无机填充物和第二无机填充物。例如，可以使用由THINKY公司制造的行星式离心混合装置，由NANOMIZER公司制造的NANOMIZER(无媒介高压湿型粉碎装置)，由Hosokawa Micron公司制造的Nobilta或Nanocular等，但是不限于这些装置。假设以使用NANOMIZER的情况为处理条件，则可以通过将在100Mpa至150Mpa的处理压力下持续5分钟至10分钟的处理重复两次至五次来完成分散。另外，假设以行星式离心混合装置的情况为条件，则可以通过将在1000rpm至2000rpm的旋转速度下持续1分钟至3分钟的处理重复两次至五次来完成分散。注意可以适当改变处理压力和处理时间。
当无机填充物在环氧树脂主剂中分散后，固化剂和固化促进剂与该树脂混合物混合。从而，获得绝缘树脂层组成物。考虑无机填充物的分散性、消除在分散时形成的泡以及合成的预浸料的平滑性等，可以适当地向绝缘树脂层组成物中添加分散剂、消泡剂、均化剂等。
可以使用下述方法制作预浸料：通过向铜箔层或PET膜层等上喷射热风或通过其他方法来加热绝缘树脂层组成物，并使其干燥至半硬化状态。为了有助于喷射等，也可以通过使用诸如甲基乙基酮(MEK)等的溶剂稀释绝缘树脂层组成物，来制备清漆浆料形式的绝缘树脂层组成物。
实施例
下文，将基于实施例和比较例进一步详细描述本发明。但是，下述实施例不限制本发明。
(1.绝缘树脂层组成物的制备)
(制作例1)
向20g双酚A环氧树脂主剂(三菱化学公司，816B)添加0.8g二氧化硅纳米粒子(AEROSIL A200，平均粒子直径：7nm，粒子直径：1nm至300nm)并搅拌，之后添加40g氧化铝微填充物(Admatechs AO-802,平均粒子直径：0.7μm，粒子直径：0.1nm至5μm)并搅拌。在视觉确认没有粗粒子后，通过使用行星式离心混合装置(由THINKY制造)分散二氧化硅纳米粒子和氧化铝微填充物。在2000rpm的旋转速度下重复五次且每次2分钟进行分散处理。分散后，通过手动搅拌将6g胺基固化剂，也就是4,4’-亚甲基(2-甲基环己胺)(三菱化学公司，113)与树脂混合物混合。
(制作例2)
除了代替二氧化硅纳米粒子，将0.8g二氧化钛纳米粒子(富士钛工业公司，TAF-500，平均粒子直径：50nm，粒子直径1nm至100nm)并搅拌，制备绝缘树脂层组成物的方式与制作例1相同。
2.金属基印刷电路板的制作
在制作例1中制备的绝缘树脂层组成物被涂覆至铜箔(长12cm，宽12cm，厚度约10至35μm)上以使膜厚达到100μm。之后，绝缘树脂层组成物通过在恒温室中在70℃下加热3小时进行首次固化，并通过在120℃下进一步加热3小时进行二次固化。之后，铜箔被切成长4cm、宽4cm的尺寸，在铜箔表面的区域由具有1cm直径的压敏胶带遮盖。然后，通过蚀刻去除在被遮盖区域之外的区域中的铜箔。从而，制备出样品1。通过使用在制作例2中制备的绝缘树脂层组成物用相同的方式制备出样品2。
3.铜离子溶出的防止性能评价
通过使用样品1和样品2，使用PEA空间电荷测量系统(由FiveLab公司制造的电荷分布测量装置)测量每个样品的空间电荷以评价是否溶出铜离子。PEA系统所基于的原理是：样品置于电极之间，向样品施加脉冲电压以振动内部电荷，由传感器探测振动压力波。将样品设置至PEA空间电荷测量系统，样品的绝缘树脂层表面与PEA空间电荷测量系统的铝阴极接触，并且样品的铜箔表面与PEA空间电荷测量系统的阳极接触。然后，在85℃的温度、85％的湿度条件下持续施加5kV/mm的电场10小时。在施加电场之前，以及在开始施加电场后2小时、4小时、6小时、8小时和10小时，从恒温恒湿室中取出样品，测量样品中的空间电荷分布，同时施加电压，通过该电压5kV/mm的平均电场被施加至该样品。在该试验中，铝阴极相当于金属基板，与阳极接触的铜箔作为阳极。使用样品1进行的试验作为实施例1，使用样品2进行的试验作为实施例2。
图2(a)是示出实施例1的空间电荷分布的测量结果图。纵轴表示电荷密度，横轴表示采样时间。在图中，由虚线示出电荷密度变化很大的两个部分。这样的电荷密度中的大改变是在层之间的边界或由于电荷反射所观测到的现象。左边的虚线是在铝阴极和绝缘树脂层之间的边界，右边的虚线表示绝缘树脂层和铜箔层之间的边界。注意由A表示的顶点代表由铜箔层进行的反射导致的信号，其不由在层的边界观测到的电荷密度变化而导致。左边虚线的左侧区域是铝阴极板，从右边的虚线向右延伸10ns的斜线区域是铜箔层。铜箔层的右侧区域是阳极板，在虚线之间的区域是绝缘树脂层。
如果铜离子从铜箔层被溶出至绝缘树脂层，则可以观测到由B表示的顶点朝绝缘树脂层移动的现象，该顶点B位于铜箔层和绝缘树脂层之间的边界。在图2(a)中，在开始试验之前以及在施加电场后2小时至10小时的所有情况下，由B表示的顶点不朝绝缘树脂层移动。也就是说，在实施例1中未观测到铜离子的溶出。
图2(b)是示出实施例2的空间电荷分布的测量结果图。由C表示的顶点代表由铜箔层进行的反射导致的信号。在测量结果中，由D表示的顶点不朝绝缘树脂层移动，该顶点D位于铜箔层和绝缘树脂层之间的边界。也就是说，在实施例2中也没有观测到铜离子的溶出。
图3是示出在上述实施例1中样品1被施加电场10小时的截面图。图3(a)是由SEM拍摄的截面图。在图3(a)中，白色层是铜箔层，在铜箔层之下的是绝缘树脂层。而且图3(b)显示通过能量分散X射线谱(EDS)得出的铜元素分布的测量结果。在图3(b)中，白色层是铜箔层，在铜箔层之下的是绝缘树脂层。在图3(a)和图3(b)的每一个中，未观察到铜离子的溶出，可知金属基印刷电路板具有出色的防止电化学迁移性。
图4是显示在上述实施例2中样品2被施加电场10小时的截面图。图4(a)是以和图3的情况相同的方式由SEM拍摄的横截面图。而且图4(b)是通过能量分散X射线谱(EDS)得出的铜元素分布的测量结果。在图4(a)和图4(b)的每一个中，未观察到铜离子的溶出，可知金属基印刷电路板的抗电化学迁移性出色。
工业实用性
由于本发明可以提供防止电化学迁移的金属基印刷电路板，因此本发明在工业上有用。
附图标记说明
100 金属基印刷电路板
101 铜箔
102 绝缘树脂层
103 金属基板

Claims (3)

1.一种金属基印刷电路板，其特征在于，包括：
金属基板，绝缘树脂层层叠在所述金属基板上,铜箔层层叠在所述绝缘树脂层上，其中，
所述绝缘树脂层包括树脂和无机填充物，所述无机填充物由第一无机填充物和第二无机填充物组成，所述第一无机填充物由粒子直径为0.1nm至600nm并且平均粒子直径D50为1nm至300nm的无机粒子组成，所述第二无机填充物由粒子直径为100nm至100μm并且平均粒子直径D50为500nm至20μm的无机粒子组成，
并且所述第一无机填充物和所述第二无机填充物均匀地分散在所述绝缘树脂层中，
所述第一无机填充物是由SiO2、TiO2、MgO、Al2O3、BN以及AlN中的任一种或多种物质的任意组合组成的无机粒子，所述第二无机填充物是由Al2O3、BN、AlN以及SiO2中的任一种或多种物质的任意组合组成的无机粒子。
2.如权利要求1所述的金属基印刷电路板，其中，所述绝缘树脂层所使用的所述树脂是环氧树脂，所述第一无机填充物的含量为1质量％至7质量％，所述第二无机填充物的含量为30质量％至80质量％。
3.如权利要求1或2所述的金属基印刷电路板，其中，所述第一无机填充物的无机粒子的粒子直径为0.1nm至300nm并且平均粒子直径D50为1nm至50nm。
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