JP2004075817A

JP2004075817A - 回路基板用樹脂組成物とそれを用いた金属ベース回路基板

Info

Publication number: JP2004075817A
Application number: JP2002236776A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Yashima; 八島　克憲; Yoshihiko Okajima; 岡島　芳彦
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-08-15
Filing date: 2002-08-15
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: JP3751271B2

Abstract

【課題】絶縁耐電圧とピール強度が従来レベルのままに、熱伝導率が著しく高く改善された金属ベース回路基板を提供する。
【解決手段】エポキシ樹脂と、無機充填材と、前記エポキシ樹脂を硬化するための硬化剤と、前記無機充填材が前記エポキシ樹脂に分散することを助長するための分散剤とを含有する回路基板用樹脂組成物であって、前記分散剤がリン酸エステルであり、しかも前記無機充填材として窒化アルミニウムを含有することを特徴とする回路基板用樹脂組成物を用いる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子をはじめとするいろいろな電子・電気部品を搭載する回路基板に用いられる樹脂組成物とそれを用いた金属ベース回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子をはじめとする電子・電気部品を搭載し混成集積回路を形成するために、いろいろな回路基板が実用化されているが、これらは、一般的には当該回路基板の基板材質を考慮して、樹脂回路基板、セラミックス回路基板、金属ベース回路基板等に分類することができる。
【０００３】
樹脂回路基板は、安価ではあるが基材の熱伝導性が悪いので比較的小さな電力用途に制限される。セラミックス回路基板は、セラミックスの電気絶縁特性や耐熱特性に優れる点を生かして比較的大きな電力用途に適するが高価である欠点を有している。一方、金属ベース回路基板は、両者の中間的な性格を有し、比較的大きな電力で汎用的な用途、例えば、冷蔵庫用電源、家庭向け空調用電源、自動車用電源、高速鉄道用電源等の用途に好適である。
【０００４】
金属ベース回路基板は、アルミニウム、鉄、銅などの金属板上に、アルミナなどの無機フィラーを充填したエポキシ等の樹脂の絶縁層を設け、更にその上に回路を設けた構造を有しているが、絶縁層として使用されている樹脂硬化体の熱伝導率が低くなりがちで、ときには回路基板としての放熱特性が不足して半導体素子の誤動作を惹き起こしたり、絶縁層が劣化し混成集積回路の長期的な電気信頼性を失する問題を生じることがある。
【０００５】
上記の事情から、回路基板用の樹脂組成物、特にその硬化体の特性上の改善は、ことに金属ベース回路基板においては熱伝導率の良い金属基板本来の特性を十分に活かすことから、産業上の極めて重要な検討項目となっている。
【０００６】
一般に、樹脂硬化体からなる絶縁層の熱伝導率を改善するためには、
（１）絶縁接着剤中の無機充填材の含有量を増やす
（２）無機充填材の熱伝導率が高いものを使用する
等の対策が採用されるが、（１）の方法では、無機充填材の含有量を多くすると、硬化前の樹脂組成物の粘度が高くなり、金属板上への塗布作業に難点が生じるし、（２）の方法では、熱伝導率の高い無機充填材が必ずしも充填性が良くなく、むしろ入手可能なものでは充填性は悪いものがほとんどである、そのために無機充填材の高充填が達成できず絶縁層の熱伝導率は低くなってしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記の事情に鑑みて、いろいろ実験的に検討した結果、絶縁層となるエポキシ樹脂中に、無機充填材が前記樹脂中に分散することを助長するための分散剤を用いるときに、特定の分散剤と特定の無機充填材とを組み合わせるときに、前記樹脂中に無機充填材を高充填でき、その結果、得られる樹脂硬化体が高熱伝導率で回路基板用に好適であり、また、金属ベース回路基板の絶縁層に適用するときに、従来得られなかった、絶縁耐電圧とピール強度が従来レベルのままに、熱伝導率が著しく高いという特徴を有する金属ベース回路基板が得られるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、エポキシ樹脂と、無機充填材と、前記エポキシ樹脂を硬化するための硬化剤と、前記無機充填材が前記エポキシ樹脂に分散することを助長するための分散剤とを含有する回路基板用樹脂組成物であって、前記分散剤がリン酸エステルであり、しかも前記無機充填材として窒化アルミニウムを含有することを特徴とする回路基板用樹脂組成物である。
【０００９】
また、本発明は、前記リン酸エステルが、下記化学式で示されるリン酸エステルであることを特徴とする前記の回路基板用樹脂組成物である。
【化２】

【００１０】
また、本発明は、粒子径が１０〜４５μｍの窒化アルミニウム粉末を４２．５〜７６．０質量％、粒子径が８μｍ以下の窒化アルミニウム粉末及び／又は酸化アルミニウム粉末を４７．５〜１７．０質量％含有していることを特徴とする前記の回路基板用樹脂組成物である。
【００１１】
更に、本発明は、前記の回路基板用樹脂組成物を用いてなることを特徴とする金属ベース回路基板である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、エポキシ樹脂と、無機充填材と、前記エポキシ樹脂を硬化するための硬化剤と、前記無機充填材が前記エポキシ樹脂に分散することを助長するための分散剤とを含有する回路基板用樹脂組成物であって、前記分散剤がリン酸エステルであり、しかも前記無機充填材として窒化アルミニウムを含有することを特徴とする回路基板用樹脂組成物である。
【００１３】
本発明は、上述した通りに、リン酸エステルを分散剤と選定し、しかも無機充填材として窒化アルミニウムが含まれるように組み合わせるときに、前記樹脂中に無機充填材を高充填でき、その結果、得られる樹脂硬化体が高熱伝導率であるという実験上の知見に基づいている。より具体的には、上記構成を採用することにより、今まで金属板上に塗布することが出来なかった無機充填材が７０体積％以上の樹脂組成物を金属板上へ塗布することができるようになり、金属ベース回路基板が得られるようになる。
【００１４】
本発明において、リン酸エステルと窒化アルミニウムが含まれる無機充填材との組合せに関して、まず、リン酸エステルの量は、エポキシ樹脂と添加される無機充填材の量によって若干変動するが、両者の全量１００質量部に対して１．０質量部存在させるようにすれば良い。１．０質量部を超えて添加すると、金属ベース回路基板を作成した際に、ピール強度が低下してしまうからである。また、エポキシ樹脂中にリン酸エステルが存在するとき、本発明の効果が得られる窒化アルミニウムの量については、本発明者の実験結果に基づけば、無機充填材の３０質量％以上含まれていれば良く、５０質量％以上であること一層好ましい。
【００１５】
本発明において、前記リン酸エステルとしては、下記化学式で示されるリン酸エステルであることが好ましい。
【００１６】
【化３】

【００１７】
前記化学式で表されるリン酸エステルを用いるとき、前記本発明の効果が一層達成しやすくなるからである。また上記化合物の中で、ｍ＝５〜６、ｎ＝４〜１０が一層好ましい。
【００１８】
上記リン酸エステルの使用により、窒化アルミニウムを含有する無機充填材とエポキシ樹脂との界面張力を低下させることで、樹脂組成物の混合時に粘度を低減する作用を発揮することができ、その結果として、無機質充填材の高充填を達成できるのである。また、樹脂硬化体において窒化アルミニウム粒子とエポキシ樹脂との密着性が向上され、耐湿性が向上するという効果も得られる。
なお、エポキシ樹脂とリン酸エステルとの相溶性を向上させるために、一方又は両者を溶剤等で希釈したものでも構わない。
【００１９】
次に、本発明の好ましい実施態様である、無機充填材が、特定粒度の窒化アルミニウム粉末と特定粒度範囲の窒化アルミニウム粉末及び／又は酸化アルミニウム粉末とを特定量配合した樹脂組成物を例にして、本発明を説明する。
【００２０】
本発明に用いる窒化アルミニウム粉末（以下、窒化アルミニウム粗粉という）は、その構成粒子の大きさが１０μｍ以上４５μｍ以下の範囲である。４５μｍより大きな粒子が存在すると、樹脂に充填する際の無機粉末の充填度が悪くなるし、１０μｍ未満の粒子の存在は後述するとおりに充分な粒度制御ができなくなり、本発明の目的を達成でき難くなるからである。窒化アルミニウム粗粉の平均粒子径については、全粒子が前記範囲内にあることから当然に４５μｍ未満であるが、この範囲の内で１０〜３２μｍであることが本発明の目的を一層達成しやすいことから好ましい。また、窒化アルミニウム粗粉は、酸化処理、リン酸系処理およびシリカ等による表面コートといった表面処理を施したものを用いても構わない。
【００２１】
本発明では、前記窒化アルミニウム粗粉に、粒子径が８μｍ以下の球状の酸化アルミニウム粉末（以下、酸化アルミニウム微粉という）及び／又は窒化アルミニウム粉末（以下、窒化アルミニウム微粉という）を組み合わせて用いることが好ましい。本発明においては、高熱伝導率を有する窒化アルミニウム粗粉中の窒化アルミニウム粒子の間隙を充填することで、エポキシ樹脂への充填量を向上して、窒化アルミニウム粒子の高熱伝導率を活かすと同時に、エポキシ樹脂が硬化する前の流動性を確保するために、粒子径が８μｍ以下の酸化アルミニウム微粉及び／又は窒化アルミニウム微粉を選択したものである。最大粒子径が８μｍを超える粒子が含まれる場合には、前記窒化アルミニウム粗粉と混合されたときに粒度制御ができなくなり、充填性が低下することがある。また、酸化アルミニウム微粉並びに窒化アルミニウム微粉を構成する酸化アルミニウム粒子並びに窒化アルミニウム粒子は、球状の微細な粒子からなることが好ましい。
【００２２】
本発明においては、前記窒化アルミニウム粗粉の割合は、該粗粉と粒子径が８μｍ以下の酸化アルミニウム微粉及び／又は窒化アルミニウム微粉との全量に対して、５０．０質量％以上８０．０質量％以下であることが好ましく選択される。５０．０質量％以下では窒化アルミニウム粗粉の量が少ないため、得られる樹脂組成物の硬化体の熱伝導率が低下してしまい、高熱伝導性の金属ベース回路基板が得られないし、８０．０質量％を超える場合にはエポキシ樹脂に充填する際の充填性が悪く、電気信頼性に乏しい金属ベース回路基板しか得られなくなってしまうからである。
【００２３】
本発明において、樹脂組成物中における、前記窒化アルミニウム粗粉と最大粒径が８μｍ以下の酸化アルミニウム微粉及び／又は窒化アルミニウム微粉との配合割合については、窒化アルミニウム粗粉が４２．５〜７６．０質量％、最大粒径が８μｍ以下の酸化アルミニウム微粉及び／又は窒化アルミニウム微粉が１７．０〜４７．５質量％含有するようにするとき、従来公知の金属ベース回路基板よりも高い熱放散性を有する金属ベース回路基板が、絶縁耐電圧とピール強度が低下することなく得られることから、好ましい。
【００２４】
本発明に用いるエポキシ樹脂には、前記無機充填材とともに、必要に応じて、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミネート系カップリング剤等の表面改質剤、更に必要に応じて、レベリング剤、消泡剤、湿潤剤、安定剤および硬化促進剤等を添加されて用いられる。
【００２５】
また、本発明は、金属板上に絶縁層を介して回路を設けてなる金属ベース回路基板であって、前記絶縁層が前記樹脂組成物からなることを特徴としている。絶縁層が高熱伝導率であり、しかも金属板と回路との密着性に優れ、耐電圧特性にも優れる特徴を有している。
【００２６】
より具体的には、本発明になる金属ベース回路基板は、熱伝導率が７．０Ｗ／ｍＫ以上、更に、本発明の好ましい実施態様においては８．０Ｗ／ｍＫ以上もの高値に達するので、例えば自動車搭載用の回路基板を初め、いろいろな大電流用途の回路基板として好ましく用いられる。
【００２７】
本発明の金属ベース回路基板に用いられる金属板としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄およびステンレス等が使用可能であるが、このうち比較的安価でしかも軽量で作業性や移動性機器用に好適であるという理由から、アルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい。また、金属板の厚みとしては、特に制限はないが０．５〜３．０ｍｍが一般に用いられる。
【００２８】
また、回路の材質は、導電性のものであれば良く、通常、銅、アルミニウム、ニッケル、或いはこれらの複合層からなるもの等が用いられる。
【００２９】
本発明の金属ベース回路基板を作製する方法に関しては、金属板上に前記樹脂組成物を、塗布し、硬化或いは半硬化させて絶縁剤層とする。このとき、絶縁剤層は単一層もしくは複数層にする。その後、銅、アルミニウムあるいは銅−アルミニウム複合箔等の回路となる金属箔をロールラミネート法もしくは積層プレス法を用いて接合する方法、或いは、予め回路形成された金属箔に前記樹脂組成物を塗布、硬化或いは半硬化し、金属板上に貼り付ける方法等が挙げられるが、生産性を考慮すると、前者の方法が好ましく採用される。尚、本方法において、金属箔のエッチングに関しては従来公知の方法を適用すれば良い。
【００３０】
【実施例】
〔実施例１〕メトキシプロパノール９０ｇおよび水酸化カリウム０．３ｇをオートクレーブに仕込み、窒素置換後１００℃に昇温し、攪拌しつつプロピレンオキサイド１９１４ｇを３時間にわたり、圧入した。その後３０分間、９０〜１００℃で攪拌し、冷却後燐酸水で中和、脱水、ろ過し、メトキシポリプロピレンジオールを得た。
【００３１】
前記メトキシポリプロピレンジオール４００ｇ、コハク酸無水物１００ｇおよびテトラメチルアンモニウムクロリド２ｇをオートクレーブに仕込み、窒素置換後１００℃に昇温し、攪拌しつつプロピレンオキサイド５８ｇを圧入した。１００℃で２時間攪拌し５５８ｇの油状物を得た。
【００３２】
前記油状物５５８ｇ、水１．８ｇを加えに５０℃に保ちながら五酸化リン１４ｇを少量ずつ３０分程度かけて加えた。その後同温度で約１時間攪拌しリン酸エステルを得た。
【００３３】
市販の粒度４５μｍ以下の窒化アルミニウム粉末より分級した、大きさが１０〜４５μｍの粒子からなる窒化アルミニウム粉末７０質量％と、最大粒子径が３μｍ、平均粒径０．８μｍの球状の酸化アルミニウム粉末３０質量％とを混合して、無機フィラーを作製した。
【００３４】
次に前記無機フィラーとビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とを無機フィラーの充填率が９０．５質量％となるように配合し、シラン系カップリング剤を１質量部（前記無機フィラーとエポキシ樹脂の混合物１００質量部に対して）、更にアミン系硬化剤と前記リン酸エステルをそれぞれ３．３質量部と０．３質量部を添加し、攪拌、混合することで、樹脂組成物を作製した。
【００３５】
厚み２．０ｍｍのアルミニウム板上に、前記樹脂組成物を硬化後の絶縁層の厚さが１００μｍとなるように塗布し、乾燥してＢステージ状態とし、その後厚さ３５μｍの銅箔を、絶縁層上に置き、熱プレス法にて積層状態のまま樹脂組成物を硬化させて金属ベース基板を得た。
【００３６】
前記の金属ベース基板について、所望の位置をエッチングレジストでマスクして硫酸−過酸化水素混合溶液をエッチング液として、銅箔をエッチングした後、エッチングレジストを除去し洗浄乾燥することで、回路を形成し、金属ベース回路基板とした。
【００３７】
前記の金属ベース回路基板について、熱抵抗、耐電圧およびピール強度を測定した。耐電圧の測定は、ＪＩＳ　Ｃ２１１０に基づき（菊水電子工業（株）製「ＴＯＳ−８７００形」）測定した。ピール強度の測定は、ＪＩＳ　Ｃ−６４８１に基づき、テンシロン（東洋ボールドウィン（株）「Ｕ−１１６０」）を用いて測定した。また、熱抵抗の測定は、金属ベース基板から３．０×３．０ｃｍの大きさの試験片を切断し、エッチングにより１．０×１．５ｍｍの銅パターンを形成した。この銅パターン上にＴＯ−２２０型トランジスターを半田付けし、水冷した放熱フィン上に放熱グリースを介して固定した。トランジスターに通電し、トランジスターを発熱させ、トランジスター表面と金属板裏面の温度差を測定し、熱抵抗を算出した。前記熱抵抗値について、放熱グリースの熱抵抗値を補正した後、熱伝導率を計算した。この結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
〔実施例２〕実施例１における球状の酸化アルミニウム粉を窒化アルミニウム微粉に変更したこと以外は、実施例１と同じ操作で金属ベース基板、金属ベース回路基板を作製し、実施例１と同じ評価を行った。この結果を表１に示す。
【００４０】
〔比較例〕実施例１において分散剤であるリン酸エステルを加えなかったこと以外は、実施例１と同じ操作で金属ベース基板作製を試みたところ、絶縁接着剤の粘度が高すぎるため絶縁層を形成するとことができなかった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の樹脂組成物は、リン酸エステルと窒化アルミニウムを含有する無機充填材との組合せ効果により、窒化アルミニウムを含有する無機充填材がエポキシ樹脂に高充填されていて、高熱伝導率を有する樹脂組成物硬化体が容易に得られる特徴があるので、いろいろな回路基板用の用いて好適である。
【００４２】
また、本発明の金属ベース回路基板は、前記の樹脂組成物を用いているので、従来公知の金属ベース回路基板が有する絶縁耐電圧とピール強度が低下することなく７．０Ｗ／ｍＫ以上もの高熱伝導率を有する特徴を有しているので、更に耐湿性にも優れるという特徴があるので、例えば自動車等の移動用機器向けの回路基板に適用できる等、産業上極めて有用である。

Claims

エポキシ樹脂と、無機充填材と、前記エポキシ樹脂を硬化するための硬化剤と、前記無機充填材が前記エポキシ樹脂に分散することを助長するための分散剤とを含有する回路基板用樹脂組成物であって、前記分散剤がリン酸エステルであり、しかも前記無機充填材として窒化アルミニウムを含有することを特徴とする回路基板用樹脂組成物。
前記リン酸エステルが、下記化学式で示されるリン酸エステルであることを特徴とする請求項１記載の回路基板用樹脂組成物。
粒子径が１０〜４５μｍの窒化アルミニウム粉末を４２．５〜７６．０質量％、粒子径が８μｍ以下の窒化アルミニウム粉末及び／又は酸化アルミニウム粉末を４７．５〜１７．０質量％含有していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回路基板用樹脂組成物。
請求項１、請求項２又は請求項３記載の回路基板用樹脂組成物を用いてなることを特徴とする金属ベース回路基板。