JP2008266535A - 回路基板用組成物とそれを用いた回路基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】応力緩和性に優れ、耐熱性、耐湿性及び放熱性に優れる回路基板を提供する。
【解決手段】主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂、芳香環を有し、主鎖の末端に１級アミン基を２個以上有する硬化剤、及び無機充填剤を必須成分とする回路基板用組成物。好ましくは、エポキシ樹脂として主鎖が直鎖状であり、エポキシ当量が８００以上４０００以下のビスフェノールＦ型若しくはビスフェノールＡ型骨格をもつ高分子量エポキシ樹脂、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、及びポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂からなる群から選ばれる１種類以上を含む前記の回路基板用組成物であり、更に好ましくは、硬化後の樹脂組成物の貯蔵弾性率が、３００Ｋで１００〜５０００ＭＰａである前記の回路基板用組成物。
【選択図】なし
【解決手段】主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂、芳香環を有し、主鎖の末端に１級アミン基を２個以上有する硬化剤、及び無機充填剤を必須成分とする回路基板用組成物。好ましくは、エポキシ樹脂として主鎖が直鎖状であり、エポキシ当量が８００以上４０００以下のビスフェノールＦ型若しくはビスフェノールＡ型骨格をもつ高分子量エポキシ樹脂、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、及びポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂からなる群から選ばれる１種類以上を含む前記の回路基板用組成物であり、更に好ましくは、硬化後の樹脂組成物の貯蔵弾性率が、３００Ｋで１００〜５０００ＭＰａである前記の回路基板用組成物。
【選択図】なし
Description
本発明は、応力緩和に優れ、しかも絶縁信頼性及び放熱性に優れた回路基板、特に金属ベース回路基板を容易に提供できる回路基板用組成物とそれを用いた回路基板に関する。
金属板上に無機フィラー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。
一方、車載用電子機器について、その小型化、省スペース化と共に電子機器をエンジンルーム内に配置することが要望されている。エンジンルーム内は温度が高く、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ース回路基板が注目されている。
従来の金属ベース回路基板は、放熱性や経済的な理由から金属基板としてアルミニウム板を用いることが多いが、実使用下で過熱／冷却が繰り返されると、前記アルミニウム板と当該回路基板に実装される電子部品、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。このような点を改良するために、絶縁層を熱伝導性が高く、低弾性率にし、さらに高レベルの耐熱性、耐湿性を有するようにすることが必要である。このために、たとえば特許文献１には反応性アクリルゴムで低弾性率化した組成物が開示されているが、耐湿性は十分でない。また、特許文献２には、ヒートサイクル試験５００回をクリアする低弾性率化した硬化性樹脂組成物が開示されているが、実用に供するにはまだ不十分であり、より高レベルなヒートサイクル特性が必要とされている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、低弾性率であり、かつ接着性、耐熱性、耐湿性に優れる無機フィラーを含有する硬化性の樹脂からなる組成物を提供し、その利用として金属板と導電回路との密着性に優れ、しかも応力緩和性に優れ、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時の異常を生じない、耐熱性、耐湿性及び放熱性に優れる回路基板、特に金属ベース回路基板を提供することを目的とするものである。
本発明は、（１）主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂、（２）芳香環を有し、主鎖の末端に１級アミン基を２個以上有する硬化剤、及び（３）無機充填剤を必須成分とする回路基板用組成物であり、好ましくは、エポキシ樹脂として主鎖が直鎖状であり、エポキシ当量が８００以上４０００以下のビスフェノールＦ型若しくはビスフェノールＡ型骨格をもつ高分子量エポキシ樹脂、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、及びポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂からなる群から選ばれる１種類以上を含む前記の回路基板用組成物であり、更に好ましくは、硬化後の樹脂組成物の貯蔵弾性率が、３００Ｋで１００〜５０００ＭＰａである前記の回路基板用組成物である。また、本発明は、前記回路基板用組成物を用いてなる回路基板であり、好ましくは金属ベース回路基板である。
本発明の回路基板用組成物とそれを用いた回路基板は、応力緩和に優れ、絶縁信頼性にも優れているために、実使用条件化で受ける厳しい温度変化によっても、半導体チップ等の電子部品を固定している半田部分にクラックを生じることなく高信頼性の混成集積回路を提供することができる。
本発明の回路基板用組成物は、（１）主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂、（２）芳香環を有し、主鎖の末端に１級アミン基を２個以上有する硬化剤、及び（３）無機充填剤を必須成分として含んでいるので、応力緩和性、放熱性、耐熱性、耐湿性、に優れた回路基板の用いて好適な硬化物を提供することができる。
（１）主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂については、例えば、ポリサルファイド変性エポキシ樹脂、ビスフェノールＡアルキレンオキサイド付加物型のエポキシ樹脂が挙げられ、これらを複数組み合わせて用いることもできる。
更に、（１）主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂について、主鎖が直鎖状であり、エポキシ当量が８００以上４０００以下のビスフェノールＦ型若しくはビスフェノールＡ型骨格をもつ高分子量エポキシ樹脂、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、及びポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂からなる群から選ばれる１種以上が、樹脂硬化物に可とう性を付与し、その樹脂組成物を用いた回路基板が応力緩和性に優れるという理由から、好ましく用いられる。
前記のエポキシ樹脂については、更に、エポキシ当量が８００未満のビスフェノールＦ型若しくはビスフェノールＡ型骨格をもつエポキシ樹脂や水素添加されたビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中１０質量パーセント以上５０質量％以下含むとき、硬化体の応力緩和性と耐湿性のバランスが更に向上するので好ましい。
硬化剤は、組成物の硬化体の電気絶縁性、耐湿性等のバランスを好適にすることを念頭に、芳香環を有し、主鎖の末端に１級アミン基を２個以上有するものが選択される。芳香環を有し主鎖の末端に１級アミン基を２個以上有する硬化剤としては、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン、メタフェニレンジアミン等が挙げられる。
硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂１００質量部に対して１０〜２５質量部が好ましく選択される。２５以下であれば応力緩和性が十分であるし、１０以上であれば絶縁信頼性、耐湿性が十分である。１５〜２０質量部がより好ましい。
無機充填剤は、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、このようなもとして酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、酸化珪素（シリカ）等があり、前記の１種又は２種以上で用いることができる。これらのうち、酸化アルミニウム、酸化珪素は粒子形状が球状で高充填可能なものが安価に、容易に入手できる理由で好ましい。
無機充填剤の配合量は、エポキシ樹脂１００質量部に対して、４２０〜６３０質量部が好ましい。６３０以下であれば応力緩和性が十分であるし、４２０以上であれば放熱性が十分である。４８０〜５８０質量部がより好ましい。
エポキシ樹脂中に添加して回路基板用組成物とする場合には、組成物中にエポキシシラン、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により、回路基板用組成物の硬化体からなる絶縁層の回路との接着性を向上することができる。
回路基板用組成物の硬化後の貯蔵弾性率は、３００Ｋで１００〜５０００ＭＰａであることが好ましい。５０００ＭＰａ以下で十分に満足な応力緩和性が得られる。また、貯蔵弾性率が低すぎると外力が加わった時に変形して絶縁信頼性が損なわれる可能性があるので、３００Ｋで１００ＭＰａ以上あることが好ましい。
本発明の組成物を回路基板に適用する場合、硬化後の厚さは、応力緩和性、放熱性、絶縁信頼性、生産性等を考慮して決められるが、通常は５０〜１５０μｍ程度である。
本発明の回路基板は前記回路基板用組成物を用いたものである。金属ベース回路基板を作成する場合を例に以下説明する。
金属ベース回路基板は、金属板に前記回路基板用組成物の硬化体からなる絶縁層を介して回路を設けた構造を有している。金属板は、アルミニウム、鉄、銅及びそれらの合金、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、熱放熱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。回路としては、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、或いは前期金属又は合金を使用したクラッド箔等も用いることができる。尚、前期箔の製造方法は電解法でも圧延法でも作製したものでもよく、箔状には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、絶縁接着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。
金属ベース回路基板は、回路基板用組成物に適宜消泡剤やレベリング剤等の添加剤を添加して得られる絶縁材料を金属板及び／又は金属箔上に塗布し、金属箔又は金属板を張り合わせた後に十分に硬化させ、前記金属箔より回路形成する方法、或いは前記方法に於いて金属箔に変えて予め回路形成されている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。
〔実施例１〕
エポキシ樹脂として高分子ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート４００４Ｐ」；エポキシ当量＝８４８）３０質量部と、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂（東都化成社製、「ＰＧ２０７ＧＳ」）５０質量部、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート８０７」；エポキシ当量＝１７５）２０質量部、シランカップリング剤、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（東レダウコーンニング社製、「Ｚ６０４０Ｎ」）５質量部、無機フィラーとして平均粒子径が１６μｍである球状粗粒子の酸化アルミニウム（昭和電工社製、「ＡＳ３０−１」）と平均粒子径が０．７μｍである球状微粒子の酸化アルミニウム（住友化学社製、「ＡＫＰ−１５」）５００質量部（球状素粒子と球状微粒子は質量比が６：４）、硬化剤として芳香族アミン（日本合成化工社製、「アクメックスＨ−８４Ｂ」）２０質量部を配合、混合した。
エポキシ樹脂として高分子ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート４００４Ｐ」；エポキシ当量＝８４８）３０質量部と、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂（東都化成社製、「ＰＧ２０７ＧＳ」）５０質量部、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート８０７」；エポキシ当量＝１７５）２０質量部、シランカップリング剤、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（東レダウコーンニング社製、「Ｚ６０４０Ｎ」）５質量部、無機フィラーとして平均粒子径が１６μｍである球状粗粒子の酸化アルミニウム（昭和電工社製、「ＡＳ３０−１」）と平均粒子径が０．７μｍである球状微粒子の酸化アルミニウム（住友化学社製、「ＡＫＰ−１５」）５００質量部（球状素粒子と球状微粒子は質量比が６：４）、硬化剤として芳香族アミン（日本合成化工社製、「アクメックスＨ−８４Ｂ」）２０質量部を配合、混合した。
上記操作で得た混合物を厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板状に硬化後の絶縁層の厚みが１００μｍになるように塗布し、Ｂステージ状態に予備硬化させ、ラミネーターで厚さ７０μｍの電解銅箔を張り合わせ、アフターキュアを行い銅箔基板を作製し、更に、銅箔をエッチングしてパット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、前記混合物を硬化させて、厚さ約０．５ｍｍ幅約３ｍｍ長さ５０ｍｍの硬化体の試験片を別途作製した。前記の金属ベース回路基板と硬化体を用いて以下の試験に供した。また結果を表１に示した。
＜貯蔵弾性率の測定＞
硬化体について、動的粘弾性測定器（Ｔ＆Ａインスツルメント社製、「ＲＳＡ ３」）を用い、周波数１０Ｈｚ、昇温速度１０℃／ｍｉｎの条件下、−５０℃〜＋１５０℃の温度範囲で貯蔵弾性率を測定した。
硬化体について、動的粘弾性測定器（Ｔ＆Ａインスツルメント社製、「ＲＳＡ ３」）を用い、周波数１０Ｈｚ、昇温速度１０℃／ｍｉｎの条件下、−５０℃〜＋１５０℃の温度範囲で貯蔵弾性率を測定した。
＜耐電圧の測定＞
回路基板について、温度１２１℃、相対湿度１００％、気圧２０２６ｈＰａのプレッシャークッカーテスターにて９６時間処理後と処理前の試験片を絶縁油中に浸漬し、絶縁破壊する電圧を測定した。初期印加電圧は０．５ｋＶであり、各電圧で３０秒間保持した後、０．５ｋＶずつ段階的に昇圧する方法で印加した。
回路基板について、温度１２１℃、相対湿度１００％、気圧２０２６ｈＰａのプレッシャークッカーテスターにて９６時間処理後と処理前の試験片を絶縁油中に浸漬し、絶縁破壊する電圧を測定した。初期印加電圧は０．５ｋＶであり、各電圧で３０秒間保持した後、０．５ｋＶずつ段階的に昇圧する方法で印加した。
＜ヒートサイクル試験方法＞
回路基板について、パッド間にチップサイズ２．０ｍｍ×１．２５ｍｍのチップ抵抗を半田付けし、−４０℃７分〜＋１２５℃７分を１サイクルとして２０００回のヒートサイクル試験を行った後、顕微鏡で半田部分のクラックの有無を観察した。半田部分のクラック発生が１０％以上あるものは不良とし、半田クラックの発生が１０％未満のものを良好と判定した。
回路基板について、パッド間にチップサイズ２．０ｍｍ×１．２５ｍｍのチップ抵抗を半田付けし、−４０℃７分〜＋１２５℃７分を１サイクルとして２０００回のヒートサイクル試験を行った後、顕微鏡で半田部分のクラックの有無を観察した。半田部分のクラック発生が１０％以上あるものは不良とし、半田クラックの発生が１０％未満のものを良好と判定した。
〔実施例２〕
エポキシ樹脂として高分子ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート４００４Ｐ」）３０質量部と、ポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂（阪本薬品工業社製、「ＳＲ−ＰＴＭＧ」）５０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
エポキシ樹脂として高分子ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート４００４Ｐ」）３０質量部と、ポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂（阪本薬品工業社製、「ＳＲ−ＰＴＭＧ」）５０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
〔実施例３〕
エポキシ樹脂として高分子ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（東都化成社製、「ＹＤ６０２０」；エポキシ当量＝３０２０）３０質量部と、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂（東都化成社製、「ＰＧ２０７ＧＳ」）５０質量部、水素添加されたビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業社製、「ＥＸＡ―７０１５」；エポキシ当量＝２０７）２０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
エポキシ樹脂として高分子ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（東都化成社製、「ＹＤ６０２０」；エポキシ当量＝３０２０）３０質量部と、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂（東都化成社製、「ＰＧ２０７ＧＳ」）５０質量部、水素添加されたビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業社製、「ＥＸＡ―７０１５」；エポキシ当量＝２０７）２０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
〔実施例４〕
エポキシ樹脂として高分子ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（東都化成社製、「ＹＤ６０２０」）３０質量部と、ポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂（阪本薬品工業社製、「ＳＲ−ＰＴＭＧ」）５０質量部、水素添加されたビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業社製、「ＥＸＡ―７０１５」）２０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
エポキシ樹脂として高分子ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（東都化成社製、「ＹＤ６０２０」）３０質量部と、ポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂（阪本薬品工業社製、「ＳＲ−ＰＴＭＧ」）５０質量部、水素添加されたビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業社製、「ＥＸＡ―７０１５」）２０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
〔比較例１〕
エポキシ樹脂として、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート８０７」）６０質量部、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業社製、「ＨＰ−７２００」；エポキシ当量＝２６０）４０質量部、シランカップリング剤、γ−グリシドキシプロピルメチルエトキシシラン（日本ユニカー社製、「ＡＺ−６１６５」）５質量部、無機フィラーとして平均粒径５μｍのアルミナ（昭和電工社製、「ＡＳ―５０」）５００質量部、硬化剤として、ポリオキシプロピレンアミン（三井化学ファイン社製、「ジェファーミンＤ２３０」）２０質量部、ポリオキシプロピレンアミン（三井化学ファイン社製、「ジェファーミンＤ２０００」）２５質量部、芳香族アミン（日本合成化工社製、「アクメックスＨ−８４Ｂ」）２０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
エポキシ樹脂として、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート８０７」）６０質量部、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業社製、「ＨＰ−７２００」；エポキシ当量＝２６０）４０質量部、シランカップリング剤、γ−グリシドキシプロピルメチルエトキシシラン（日本ユニカー社製、「ＡＺ−６１６５」）５質量部、無機フィラーとして平均粒径５μｍのアルミナ（昭和電工社製、「ＡＳ―５０」）５００質量部、硬化剤として、ポリオキシプロピレンアミン（三井化学ファイン社製、「ジェファーミンＤ２３０」）２０質量部、ポリオキシプロピレンアミン（三井化学ファイン社製、「ジェファーミンＤ２０００」）２５質量部、芳香族アミン（日本合成化工社製、「アクメックスＨ−８４Ｂ」）２０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
〔比較例２〕
エポキシ樹脂として（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート８０７」）１００質量部、γ−グリシドキシプロピルメチルエトキシシラン（日本ユニカー社製、「ＡＺ−６１６５」）５質量部、アルミナ（昭和電工社製、「ＡＳ−５０」）５００質量部、硬化剤として芳香族アミン（日本合成化工社製、「アクメックスＨ−８４Ｂ」）３０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
エポキシ樹脂として（ジャパンエポキシレジン社製、「エピコート８０７」）１００質量部、γ−グリシドキシプロピルメチルエトキシシラン（日本ユニカー社製、「ＡＺ−６１６５」）５質量部、アルミナ（昭和電工社製、「ＡＳ−５０」）５００質量部、硬化剤として芳香族アミン（日本合成化工社製、「アクメックスＨ−８４Ｂ」）３０質量部を用いる他は、実施例１と同様に試験した。結果を表１に示した。
実施例１〜４で得られた基板は、貯蔵弾性率が低くヒートサイクル試験結果も良好であり、ＰＣＴ処理後の耐電圧も良好であった。比較例１、２はＰＣＴ処理後の耐電圧は良好であるが、貯蔵弾性率が高いために、十分な応力緩和効果が得られずヒートサイクル試験結果が不良であった。
本発明の回路基板用組成物及びそれを用いた回路基板は、応力緩和に優れ、絶縁信頼性にも優れているために、実使用条件化で受ける厳しい温度変化によっても、チップを固定している半田部分にクラックを生じることなく高信頼性の混成集積回路を提供することができるので、例えば、自動車のエンジンルーム等の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。
Claims (5)
- （１）主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂、（２）芳香環を有し、主鎖の末端に１級アミン基を２個以上有する硬化剤、及び（３）無機充填剤を必須成分とする回路基板用組成物。
- （１）エポキシ樹脂が、主鎖が直鎖状であり、エポキシ当量が８００以上４０００以下のビスフェノールＦ型若しくはビスフェノールＡ型骨格をもつ高分子量エポキシ樹脂、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、及びポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂からなる群から選ばれる１種類以上であることを特徴とする請求項１記載の回路基板用組成物。
- 硬化後の樹脂組成物の貯蔵弾性率が、３００Ｋで１００〜５０００ＭＰａであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回路基板用組成物。
- 請求項１〜３のいずれか一項に記載の組成物を用いてなる回路基板。
- 金属ベース回路基板であることを特徴とする請求項４記載の回路基板。
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