JP2021152102A - 絶縁膜、金属ベース基板及び金属ベース基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性、耐電圧性、応力緩和性、熱伝導性に優れ、従って放熱性に優れる絶縁膜を提供する。【解決手段】樹脂と、前記樹脂に分散された無機物フィラーとを含む絶縁膜であって、前記樹脂は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物であって、前記無機物フィラーは、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあり、前記絶縁膜に対する前記無機物フィラーの含有量が５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にあって、ボイド含有率が１０％以下であって、１００℃における弾性率が１ＧＰａ以下であることを特徴とする絶縁膜。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁膜と、この絶縁膜を用いた金属ベース基板及び金属ベース基板の製造方法に関する。

半導体素子やＬＥＤなどの電子部品を実装するための基板の一つとして、金属ベース基板が知られている。金属ベース基板は、金属基板と、絶縁膜と、金属箔とがこの順で積層された積層体である。絶縁膜は、一般に、絶縁性や耐電圧性に優れる樹脂と、熱伝導性に優れる無機物フィラーとを含む絶縁性組成物から形成されている。電子部品は、金属箔の上に、はんだを介して実装される。このような構成とされた金属ベース基板では、電子部品にて発生した熱は、絶縁膜を介して金属基板に伝達され、金属基板から外部に放熱される。

金属ベース基板では、金属ベース基板と、その金属ベース基板にはんだを介して接合された電子部品との熱膨張率の差が大きいと、電子部品のオン／オフや外部環境による冷熱サイクルによって、電子部品と金属ベース基板とを接合しているはんだに付与される応力が大きくなり、はんだクラックが発生することがある。このため、金属ベース基板の絶縁膜の弾性率を低くして、金属ベース基板の金属基板と電子部品の熱膨張率の差を、絶縁層で緩和させることが検討されている（特許文献１、２）。

特開平１１−８７８６６号公報 特開２０１６−１１１１７１号公報

金属ベース基板は、冷熱サイクルを繰り返してもはんだクラックを発生させにくいこと、すなわち冷熱サイクルに対する信頼性が高いことが望まれる。また、金属ベース基板は、絶縁性や耐電圧性に優れると共に、電子部品にて発生した熱を外部に放熱しやすいこと、すなわち放熱性が高いことも望まれる。冷熱サイクルに対する信頼性を向上させるために、金属ベース基板の金属基板と電子部品の熱膨張率の差によって生じる応力を、金属ベース基板の絶縁膜で緩和させることができれば好ましい。金属ベース基板の絶縁膜の応力緩和性を向上させるためには、絶縁膜の弾性率を低くすること、すなわち絶縁膜を構成する樹脂材料の弾性率を低くすることが有効である。しかしながら、弾性率が低い樹脂材料は、一般に、耐熱性が低い。また、金属ベース基板は、金属基板と絶縁膜と回路層として働く金属箔を積層することによって製造するのが一般的である。もしくは金属基板上に絶縁膜を形成し、その後金属箔を積層する方法もある。通常、絶縁膜の上に金属箔を積層する方法として、絶縁膜付き金属基板に熱をかけながら、金属箔と絶縁膜とを圧着する熱圧着というプロセスがある。このプロセスによって、特に無機物フィラーを高充填した際にできやすい絶縁膜中のボイドを低減させて、絶縁膜の放熱性を向上させることも行なわれている。しかしながら、耐熱性が低い樹脂材料を用いた絶縁膜は、ボイドを低減させにくく、放熱性が向上しにくい傾向があった。すなわち、従来の絶縁膜では、応力緩和性と放熱性の両者の性能を向上させることは困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、絶縁性、耐電圧性、応力緩和性、熱伝導性に優れ、従って放熱性に優れる絶縁膜を提供することを目的とする。また、本発明は、冷熱サイクルに対する信頼性が高く、放熱性に優れる金属ベース基板及び金属ベース基板の製造方法を提供することもその目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の絶縁膜は、樹脂と、前記樹脂に分散された無機物フィラーとを含む絶縁膜であって、前記樹脂は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物であって、前記無機物フィラーは、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあり、前記絶縁膜に対する前記無機物フィラーの含有量が５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にあって、ボイド含有率が１０％以下であって、１００℃における弾性率が１ＧＰａ以下であることを特徴としている。

この構成の絶縁膜によれば、樹脂は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物であるので、絶縁性と耐電圧性が向上すると共に、その絶縁性と耐電圧性が長期間にわたって安定する。また、上記の絶縁膜によれば、無機物フィラーは、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内と微細であり、さらに無機物フィラーの含有量は５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にあるので、熱伝導性及び耐電圧性が向上すると共に、絶縁膜としての弾性率が過剰に高くなることが抑制される。さらに、上記の絶縁膜によれば、１００℃における弾性率が１ＧＰａ以下と低く、弾性変形しやすいので、応力緩和性が高い。またさらに、上記の絶縁膜によれば、ボイド（気孔）の含有率が１０％以下であり、樹脂と無機物フィラーとの間に気孔が少ないので、絶縁膜の熱伝導性、耐電圧が高く、放熱性が高い。

ここで、本発明の絶縁膜においては、前記無機物フィラーがα−アルミナ粒子であり、前記α−アルミナ粒子は、真密度に対するタップ密度の比が０．１以上であることが好ましい。
この場合、樹脂に分散されている無機物フィラーが、熱伝導性が高いα−アルミナ粒子であるので、絶縁膜の熱伝導性がより向上する。また、α−アルミナ粒子は、真密度に対するタップ密度の比が０．１以上であるので、絶縁膜中でのα−アルミナ粒子の間隔を狭く保つことができ、ボイドが発生しにくくなるため、絶縁膜の熱伝導性や耐電圧性がより確実に向上する。

また、本発明の絶縁膜においては、前記α−アルミナ粒子が単結晶粒子であることが好ましい。
この場合、α−アルミナ粒子の熱伝導性がより高くなるので、絶縁膜の熱伝導性がさらに向上する。

本発明の金属ベース基板は、金属基板と、絶縁膜と、金属箔とがこの順で積層された金属ベース基板であって、前記絶縁膜が、上記本発明の絶縁膜からなることを特徴とする。
この構成の金属ベース基板によれば、金属基板と金属箔との間に、上述の絶縁膜が配置されているので、冷熱サイクルに対する信頼性が高く、放熱性に優れたものとなる。

本発明の金属ベース基板の製造方法は、金属基板の上に、溶媒と、樹脂と、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にある無機物フィラーとを含み、前記樹脂と前記無機物フィラーとの合計量に対する前記無機物フィラーの含有量が５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にある湿潤絶縁性組成物膜を形成する湿潤絶縁性組成物膜形成工程と、前記湿潤絶縁性組成物膜を乾燥させて絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜の上に金属箔を積層し、得られた積層体を、２００℃以上の温度で加熱しながら１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧力で、６０分以上圧着して、前記絶縁膜と前記金属箔を接合する圧着工程と、を含むことを特徴としている。

この構成の金属ベース基板の製造方法によれば、圧着工程において、積層体を、２００℃以上の温度で加熱しながら１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧力で、６０分以上圧着するので、樹脂と無機物フィラーとの間の気孔に樹脂が流がれることより気孔が減少して、ボイド含有量が１０％以下と低くなる。これにより、絶縁膜は、全体の組成が均一となるので、熱伝導性と共に耐電圧が向上し、放熱性が高くなる。また、樹脂として、耐熱性が高く、柔軟なポリイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物を用いることによって、絶縁膜の弾性率は１００℃において１ＧＰａとなる。したがって、上記の製造方法によって得られる金属ベース基板は、冷熱サイクルに対する信頼性が高く、放熱性に優れたものとなる。

本発明によれば、絶縁性、耐電圧性、応力緩和性、熱伝導性に優れ、従って放熱性に優れる絶縁膜を提供することが可能となる。また、本発明によれば、冷熱サイクルに対する信頼性が高く、放熱性に優れる金属ベース基板及び金属ベース基板の製造方法を提供することも可能となる。

本発明の一実施形態である絶縁膜の概略断面図である。 本発明の一実施形態である金属ベース基板の概略断面図である。 本発明例５で作製した絶縁膜の断面のＳＥＭ写真である。

（絶縁膜）
図１は、本発明の一実施形態である絶縁膜の概略断面図である。
図１に示すように、本実施形態である絶縁膜１０は、樹脂１１と、無機物フィラー１２とを含む。

樹脂１１は、絶縁膜１０の基材となる。樹脂１１は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物からなる。これらの樹脂は、イミド結合を有し、耐熱性が高く２００℃でも熱分解しにくい。また、絶縁性、耐電圧性、化学的耐性及び機械特性などの特性に優れる。

樹脂１１は、１００℃における弾性率が０．１ＧＰａ以下であることが好ましく、０．０１ＧＰａ以下であることが特に好ましい。
樹脂１１の弾性率は、動的弾性率である。樹脂１１の動的弾性率は、動的粘弾性測定（ＤＭＡ）を用いて測定することができる。

無機物フィラー１２は、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされている。無機物フィラー１２の平均粒子径が０．１μｍ以上であることによって、絶縁膜１０の熱伝導性が向上する。無機物フィラー１２の平均粒子径が２０μｍ以下であることによって、絶縁膜１０の耐電圧性が向上する。また、無機物フィラー１２の平均粒子径が上記の範囲内にあると、無機物フィラー１２が凝集粒子を形成しにくく、樹脂１１中に無機物フィラー１２を均一に分散させやすくなる。無機物フィラー１２が凝集粒子を形成せずに、一次粒子もしくはそれに近い微細な粒子として樹脂１１に分散していると、絶縁膜１０の耐電圧性が向上する。絶縁膜１０の熱伝導性を向上させる観点では、無機物フィラー１２の平均粒子径は０．３μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

無機物フィラー１２の平均粒子径は、無機物フィラー１２の分散液を用いて、レーザー回折式粒度分布測定装置によって測定した体積累積平均径（Ｄｖ５０）の値である。平均粒子径測定用の無機物フィラー１２の分散液は、例えば、無機物フィラー１２を分散剤とともにＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒中に投入し、超音波分散によって無機物フィラー１２を分散させることによって調製できる。

絶縁膜１０の無機物フィラー１２の含有量は、５０体積％以上８５体積％以下の範囲内とされている。無機物フィラー１２の含有量が５０体積％以上であることによって、絶縁膜１０の熱伝導性が向上する。一方、無機物フィラー１２の含有量が８５体積％以下であることによって、絶縁膜１０の耐電圧性が向上する。また、無機物フィラー１２の含有量が上記の範囲内にあると、樹脂１１中に無機物フィラー１２を均一に分散させやすくなる。無機物フィラー１２が均一に樹脂１１に分散していると、絶縁膜１０の機械的強度が向上する。絶縁膜１０の熱伝導性を向上させる観点では、無機物フィラー１２の含有量は、５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあることが特に好ましい。

絶縁膜１０の無機物フィラー１２の含有量は、例えば、次のようにして求めることができる。
絶縁膜１０を、大気中で加熱して、樹脂１１を除去し、残分の無機物フィラー１２を回収する。加熱温度は、樹脂１１が熱分解し、かつ無機物フィラー１２が熱分解しない温度であれば特に制限はない。加熱時間は、例えば、１２時間である。回収した無機物フィラー１２の重量を測定して、加熱前の絶縁膜１０の重量とから、無機物フィラー１２の重量ベースの含有量（重量％）を算出する。重量ベースの含有量を、樹脂１１の密度、無機物フィラー１２の密度を用いて体積ベースの含有量（体積％）に変換する。

具体的には、加熱して回収した無機物フィラー１２の重量をＷａ（ｇ）、加熱前の絶縁膜１０の重量をＷｆ（ｇ）、無機物フィラー１２の密度をＤａ（ｇ／ｃｍ^３）、樹脂１１の密度をＤｒ（ｇ／ｃｍ^３）として、無機物フィラー１２の含有量（重量％）を下記の式より算出する。
無機物フィラー１２の含有量（重量％）＝Ｗａ／Ｗｆ×１００
＝Ｗａ／｛Ｗａ＋（Ｗｆ−Ｗａ）｝×１００

次に、無機物フィラー１２の含有量（体積％）を下記の式より算出する。
無機物フィラー１２の含有量（体積％）
＝（Ｗａ／Ｄａ）／｛（Ｗａ／Ｄａ）＋（Ｗｆ−Ｗａ）／Ｄｒ｝×１００

無機物フィラー１２としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子、アルミナ水和物粒子、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子、シリカ（ＳｉＯ_２）粒子、炭化珪素（ＳｉＣ）粒子、酸化チタン（ＴｉＯ_２）粒子、窒化硼素（ＢＮ）粒子などを用いることができる。これらのフィラーの中では、アルミナ粒子が好ましい。アルミナ粒子は、α−アルミナ粒子であることがより好ましい。α−アルミナ粒子は、真密度に対するタップ密度の比（タップ密度／真密度）が０．１以上であることが好ましい。タップ密度は、パウダーテスタ（ＰＴ−Ｘ：ホソカワミクロン社製）によって測定した密度である。タップ密度／真密度は、絶縁膜中でのα−アルミナ粒子の充填密度と相関し、タップ密度／真密度が高いと、絶縁膜中でのα−アルミナ粒子の充填密度を高くすることができる。絶縁膜中でのα−アルミナ粒子の充填密度が高くなると、絶縁膜中でのα−アルミナ粒子の間隔が狭くなり、絶縁膜にボイドが発生しにくくなる。真密度は、ピクノメーター（AUTO TRUE DENSER MAT-7000：株式会社セイシン企業製）によって測定した値である。タップ密度／真密度は、０．２以上０．９以下の範囲内にあることが好ましい。また、α−アルミナは、多結晶粒子であってもよいが、単結晶粒子であることが特に好ましい。

なお、無機物フィラー１２として、α−アルミナ単結晶粒子を用いたことは、例えば、次のようにして確認することができる。
まず、Ｘ線回折法により、α−アルミナ粒子のピークの半値幅を取得する。取得したピークの半値幅をＳｃｈｅｒｒｅｒの式により結晶子径（ｒ）に変換する。これとは別に、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いてα−アルミナ粒子１００個の粒径を測定し、その平均を平均粒径（Ｄ）として算出する。算出したα−アルミナ粒子の平均粒径（Ｄ）に対する結晶子径（ｒ）の比（ｒ／Ｄ）を算出する。この比（ｒ／Ｄ）が０．８以上である場合はα−アルミナ単結晶粒子であり、０．８未満である場合はα−アルミナ多結晶粒子である。

絶縁膜１０は、ボイドの含有率が１０％以下とされている。ボイド含有率は８％以下であることが好ましい。
ボイド含有率は、絶縁膜１０の断面画像から確認されるボイドの占有面積率である。ボイドの占有面積率は、後述の方法により求めることができる。

絶縁膜１０は、１００℃における弾性率が１ＧＰａ以下とされている。絶縁膜１０の弾性率は０．８ＧＰａ以下であることが好ましい。なお、絶縁膜１０の形状を維持するためには、絶縁膜１０の弾性率は０．００１ＧＰａ以上であることが好ましい。

絶縁膜１０の膜厚は、用途によっても異なるが、通常は、１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内、好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内である。

本実施形態の絶縁膜１０は、例えば、金属ベース基板などの回路基板において、金属箔（回路パターン）と基板の間に配置する絶縁膜として用いることができる。また、電子部品や回路基板の表面を保護する保護膜として用いることができる。さらに、単独のシートまたはフィルムとして、例えば、フレキシブルプリント基板などの回路基板用の絶縁膜として用いることができる。またさらに、エナメル線のエナメル膜のように、コイルやモータに利用される絶縁導体の絶縁膜として用いることができる。

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁膜１０によれば、樹脂１１は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物であるので、絶縁性と耐電圧性が向上すると共に、その絶縁性と耐電圧性が長期間にわたって安定する。また、本実施形態の絶縁膜１０によれば、無機物フィラー１２は、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内と微細であり、さらに無機物フィラー１２の含有量は５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にあるので、熱伝導性及び耐電圧性が向上すると共に、絶縁膜１０としての１００℃における弾性率が過剰に高くなることが抑制される。さらに、本実施形態の絶縁膜１０によれば、弾性率が１ＧＰａ以下と低く、弾性変形しやすいので、応力緩和性が高い。またさらに、本実施形態の絶縁膜１０によれば、ボイド（気孔）の率が１０％以下であり、樹脂１１と無機物フィラー１２との間に気孔が少ないので、樹脂１１と無機物フィラー１２との熱伝導性、耐熱性が高い。

また、本実施形態の絶縁膜１０において、絶縁膜１０に分散されている無機物フィラー１２が、α−アルミナ粒子である場合は、絶縁膜１０の熱伝導性がより向上する。さらに、そのα−アルミナ粒子が、真密度に対するタップ密度の比が０．１以上である場合は、絶縁膜１０中でのα−アルミナ粒子の間隔を狭く保つことができ、ボイドが発生しにくくなるため、絶縁膜１０の熱伝導性と耐電圧性がより確実に向上する。

また、本実施形態の絶縁膜１０において、α−アルミナ粒子が単結晶粒子である場合は、α−アルミナ粒子の熱伝導性がより高くなるので、絶縁膜１０の熱伝導性がさらに向上する。

（金属ベース基板）
次に、本発明の一実施形態である金属ベース基板について説明する。
図２は、本発明の一実施形態である金属ベース基板の概略断面図である。
図２に示すように、本実施形態の金属ベース基板２０は、金属基板２１と、絶縁膜１０と、金属箔２２とがこの順で積層された積層体である。

金属基板２１は、金属ベース基板２０のベースとなる部材である。金属基板２１としては、銅板、アルミニウム板およびこれらの積層板を用いることができる。

絶縁膜１０は、金属基板２１と金属箔２２とを絶縁するための部材である。絶縁膜１０は、図１に示す絶縁膜１０と同一の構成であるので、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

金属箔２２は、回路パターン状に形成される。その回路パターン状に形成された金属箔２２の上に、電子部品がはんだ等を介して接合される。金属箔２２の材料としては、銅、アルミニウム、金などを用いることができる。

金属箔２２に実装される電子部品の例としては、特に制限はなく、半導体素子、抵抗、キャパシタ、水晶発振器などが挙げられる。半導体素子の例としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-oxide-semiconductor field effect transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＥＤチップ、ＬＥＤ−ＣＳＰ（LED-Chip Size Package）が挙げられる。

次に、本実施形態の金属ベース基板２０の製造方法について説明する。
本実施形態の金属ベース基板２０は、例えば、湿潤絶縁性組成物膜形成工程と、絶縁膜形成工程と、圧着工程と、を含む方法によって製造することができる。

湿潤絶縁性組成物膜形成工程は、基板の上に湿潤絶縁性組成物膜を形成する工程である。湿潤絶縁性組成物膜は、溶媒と、樹脂と、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にある無機物フィラーとを含む。湿潤絶縁性組成物膜の無機物フィラー含有量は、樹脂材料と無機物フィラーとの合計量に対して５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にある。樹脂は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物及び加熱によってこれらの樹脂を生成する樹脂材料を含む。無機物フィラーは、α−アルミナ粒子であることが好ましい。α−アルミナ粒子は、真密度に対するタップ密度の比が０．１以上であることが好ましい。また、α−アルミナ粒子は単結晶粒子であることが好ましい。

湿潤絶縁性組成物膜は、例えば、塗布法または電着法によって形成することができる。
塗布法は、溶媒と樹脂材料と無機物フィラーとを含む塗布液を、基板の上に塗布して塗布膜を形成する方法である。塗布液は、樹脂材料が溶解した樹脂材料溶液と、その樹脂材料溶液に分散されている無機物フィラーとを含む無機物フィラー分散樹脂材料溶液を用いることができる。塗布液を基板の表面に塗布する方法としては、スピンコート法、バーコート法、ナイフコート法、ロールコート法、ブレードコート法、ダイコート法、グラビアコート法、ディップコート法などを用いることができる。

電着法は、樹脂粒子と無機物フィラーとを含む電着液に基板を浸漬して、基板の表面に樹脂粒子と無機物フィラーを電着させて電着膜を形成し、次いで得られた電着膜を乾燥する方法である。電着液としては、樹脂材料溶液と、その樹脂溶液に分散されている無機物フィラーとを含む無機物フィラー分散樹脂材料溶液に、樹脂材料の貧溶媒を加えて樹脂材料を粒子として析出させることによって調製したものを用いることができる。

絶縁膜形成工程は、湿潤絶縁性組成物膜を乾燥させて、絶縁膜１０を形成する工程である。乾燥温度は、特に制限はないが、通常は、２００℃以上であり、好ましくは２５０℃以上である。乾燥の際に、湿潤絶縁性組成物膜を加圧してもよい。湿潤絶縁性組成物膜を加圧することによって、ボイドが低減した絶縁膜を得ることができる。湿潤絶縁性組成物膜に加える圧力は、１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であることが好ましく、３ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下の範囲内にあることがより好ましい。

圧着工程は、絶縁膜１０の上に金属箔２２を積層し、得られた積層体を、２００℃以上の温度で加熱しながら１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧力で６０分以上圧着する工程である。圧着工程では、上記の温度と圧力で６０分以上圧着することによって、絶縁膜１０のボイド含有率を１０％以下にし、絶縁膜１０の弾性率を１ＧＰａ以下にしながら、絶縁膜１０と金属箔２２と接合する。圧着時の加熱温度は、２５０℃以上であることがより好ましい。加熱温度の上限は、樹脂１１の熱分解温度未満であり、好ましくは熱分温度よりも３０℃低い温度以下である。圧着時に加える圧力は、３ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下の範囲内にあることがより好ましい。圧着時間の上限は、加熱温度や圧力によって異なるが、一般に１８０分間以下である。

以上のような構成とされた本実施形態である金属ベース基板２０によれば、金属基板２１と金属箔２２との間に、上述の絶縁膜１０が配置されているので、冷熱サイクルに対する信頼性が高く、放熱性に優れたものとなる。

本実施形態の金属ベース基板２０の製造方法によれば、圧着工程において、積層体を、２００℃以上の温度で加熱しながら１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧力で、６０分以上圧着するので、樹脂と無機物フィラーとの間の気孔に樹脂が流がれることより気孔が減少して、ボイド含有量が１０％以下と低くなる。これにより、絶縁膜１０は、全体の組成が均一となるので、熱伝導性と共に耐電圧が向上し、放熱性が高くなる。したがって、本実施形態の製造方法によって得られる金属ベース基板２０は、冷熱サイクルに対する信頼性が高く、放熱性に優れたものとなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態の金属ベース基板２０では、金属基板２１と絶縁膜１０と金属箔２２の積層体とされているがこれに限定されることはない。例えば、絶縁膜１０は、金属箔２２との密着性を向上させるための密着層を有してもよく、また金属基板２１との密着性を向上させるための密着層を有していてもよい。密着層は、樹脂からなることが好ましい。樹脂としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などを用いることができる。シリコーン樹脂は、各種有機基を導入した変性シリコーン樹脂を含む。変性シリコーン樹脂の例としては、ポリイミド変性シリコーン樹脂、ポリエステル変性シリコーン樹脂、ウレタン変性シリコーン樹脂、アクリル変性シリコーン樹脂、オレフィン変性シリコーン樹脂、エーテル変性シリコーン樹脂、アルコール変性シリコーン樹脂、フッ素変性シリコーン樹脂、アミノ変性シリコーン樹脂、メルカプト変性シリコーン樹脂、カルボキシ変性シリコーン樹脂を挙げることができる。エポキシ樹脂の例としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、脂肪族型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂を挙げることができる。これらの樹脂は、一種を単独で使用してもよいし、二種以上を組合せて使用してもよい。

密着層は、熱伝導性を向上させるために、無機物粒子を分散させてもよい。無機物粒子は特に制限はなく、例えば、絶縁膜１０の無機物フィラー１２として用いられている無機物粒子を用いることができる。

絶縁膜に密着層を形成する方法としては、例えば、密着層形成用の樹脂と溶剤と必要に応じて添加される無機物粒子とを含む密着層形成用塗布液を、絶縁膜の表面に塗布して塗布膜を形成し、次いで塗布膜を加熱して乾燥させる方法を用いることができる。

樹脂として、下記のポリイミド樹脂（ポリイミドＡ〜Ｈ）とエポキシ系樹脂とを用意した。なお、下記の弾性率は２５℃における値を示している。
（ポリイミドＡ）弾性率：０．０５ＧＰａ
（ポリイミドＢ）弾性率：０．１０ＧＰａ
（ポリイミドＣ）弾性率：０．０８ＧＰａ
（ポリイミドＤ）弾性率：０．１０ＧＰａ
（ポリイミドＥ）弾性率：７ＧＰａ
（ポリイミドＦ）弾性率：０．１５ＧＰａ
（ポリイミドＧ）弾性率：４ＧＰａ
（ポリイミドＨ）弾性率：４ＧＰａ
（エポキシ系樹脂）弾性率：０．８ＧＰａ

［本発明例１］
ポリイミドＡとＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）とを混合し、ポリイミドＡを溶解させることによって、ポリイミド濃度が１０質量％のポリイミド溶液を調製した。また、α−アルミナ粉末（結晶構造：単結晶、平均粒子径：０．３μｍ）とＮＭＰとを混合し、３０分間超音波処理を行なうことによって、α−アルミナ粒子濃度が１０質量％のα−アルミナ粒子分散液を調製した。

ポリイミド溶液とα−アルミナ粒子分散液とを、α−アルミナ濃度が７０体積％となる割合で混合した。得られた混合物を、株式会社スギノマシン社製スターバーストを用い、圧力５０ＭＰａの高圧噴射処理を１０回繰り返すことにより分散処理を行なって、α−アルミナ粒子分散ポリイミド溶液を調製した。なお、α−アルミナ濃度は、α−アルミナ粒子分散ポリイミド溶液を加熱して乾燥したときに生成する固形物中のα−アルミナ粒子の含有量である。

厚み０．３ｍｍで３０ｍｍ×２０ｍｍの銅基板の表面に、α−アルミナ粒子分散ポリイミド溶液を、バーコート法により塗布して塗布膜を形成した。次いで、塗布膜を形成した銅基板をホットプレート上に配置して、室温から３℃／分で６０℃まで昇温し、６０℃で１００分間加熱した後、さらに１℃／分で１２０℃まで昇温し、１２０℃で１００分間加熱して、塗布層を乾燥させた。次いで、銅基板を２５０℃で１分間加熱した後、４００℃で１分間加熱した。こうして、銅基板の表面に、α−アルミナ単結晶粒子が分散されたポリイミド樹脂からなる絶縁膜が形成された絶縁膜付き銅基板を作製した。なお絶縁膜の膜厚は耐電圧が２．５ｋＶとなる膜厚になるように調整した。

得られた絶縁膜付き金属基板の絶縁膜の上に、厚み１８μｍの銅箔（ＣＦ−Ｔ４Ｘ−ＳＶ−１８：福田金属箔粉工業（株）製）を重ね合わせて積層した。次いで、得られた積層体を、カーボン治具を用いて５ＭＰａの圧力を付与しながら、真空中にて３００℃の圧着温度で１２０分間加熱して、絶縁膜と銅箔とを圧着した。こうして、銅基板と絶縁膜と銅箔とがこの順で積層された金属ベース基板を作製した。

［本発明例２〜５８、比較例１〜１６］
樹脂及びα−アルミナ粉末として表１及び表２に示すものを用い、α−アルミナ粒子分散樹脂溶液のα−アルミナ濃度を表１及び表２に示す濃度としたこと以外は、本発明例１と同様にして絶縁膜付き銅基板を作製した。表１及び表２には、得られた絶縁膜のボイド率と弾性率とを示した。そして、得られた絶縁膜付き金属基板を用い、圧着温度を表１及び表２に示す温度としたこと以外は、本発明例１と同様にして、金属ベース基板を作製した。なお、α−アルミナ粒子分散ポリイミド溶液のα−アルミナ濃度を９０体積％とした比較例１５では、絶縁膜を形成することができなかったため、金属ベース基板を作製できなかった。

［評価］
得られた金属ベース基板について、絶縁膜のボイド含有率と、絶縁膜の膜厚と、絶縁膜の熱伝導度と、絶縁膜の１００℃における弾性率、絶縁膜の熱伝導度と、絶縁膜の膜厚当たりの耐電圧と、絶縁膜の熱抵抗と、金属ベース基板の冷熱サイクルに対する信頼性を下記の方法により評価した。これらの結果を、表３及び表４に示す。

（金属ベース基板中の絶縁膜のボイド含有率）
金属ベース基板を樹脂埋めし、ＣＰ（クロスセクションポリッシャ）加工により、絶縁膜を研磨して断面を露出させた。露出した絶縁膜の断面を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察して、絶縁膜の断面のＳＥＭ写真を撮影した。得られたＳＥＭ写真を、画像処理ソフト（ＩｍａｇｅＪ）を用いて二値化画像処理し、二値化画像から固体部分（樹脂とα−アルミナ単結晶粒子の部分）の面積とボイド部分の面積を求めた。得られた固体部分の面積とボイド部分の面積から下記の式よりボイド含有率を算出した。ボイド含有率の測定は、１サンプルに対して１０箇所行なった。表３及び表４に記載したボイド含有率は、その平均である。
ボイド含有率（％）＝｛ボイド部分の面積／（固体部分の面積＋ボイド部分の面積）｝×１００

（金属ベース基板中の絶縁膜の膜厚）
金属ベース基板を樹脂埋めし、機械研磨によって断面を露出させた。露出した金属ベース基板の断面を、光学顕微鏡を用いて観察して、絶縁膜の膜厚を算出した。なお、絶縁膜の膜厚の測定は、１サンプルに対して略均等に３０箇所行なった。表３及び表４に記載した膜厚は、その平均である。

（金属ベース基板中の絶縁膜の弾性率）
金属ベース基板の銅箔と銅板をエッチングによって除去し、絶縁膜を単離した。得られた絶縁膜について、動的粘弾性測定装置（固体粘弾性アナライザー ＲＳＡ−Ｇ２（ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン社製））を用いて引張式によって１００℃における弾性率を測定した。測定条件は、周波数を１Ｈｚ、昇温速度を１℃／Ｍｉｎとした。

（金属ベース基板中の絶縁膜の熱伝導度）
熱伝導度（絶縁膜の厚さ方向の熱伝導度）は、ＮＥＴＺＳＣＨ−ＧｅｒａｔｅｂａｕＧｍｂＨ製のＬＦＡ４７７ Ｎａｎｏｆｌａｓｈを用いて、レーザーフラッシュ法により測定した。熱伝導度は、界面熱抵抗を考慮しない３層モデルを用いて算出した。なお、熱伝導度の算出において、銅基板の厚みは０．３ｍｍ、銅基板の熱拡散率は１１７．２ｍｍ^２／秒、銅基板の比熱は０．４１９Ｊ／ｇＫ、銅箔の厚みは１８μｍ、銅箔の熱拡散率と比熱は銅基板と同じとした。また、絶縁膜の密度と比熱は、絶縁膜の組成比及び各材料の密度と比熱から計算した。絶縁膜の密度と比熱の計算に用いた各材料の密度と比熱は、下記のとおりである。
α−アルミナ粒子：密度３．８９ｇ／ｃｍ^３、比熱０．７８Ｊ／ｇＫ
ポリイミド樹脂Ａ：密度１．２９ｇ／ｃｍ^３、比熱１．１３Ｊ／ｇＫ
ポリイミド樹脂Ｂ：密度１．２８ｇ／ｃｍ^３、比熱１．１５Ｊ／ｇＫ
ポリイミド樹脂Ｃ：密度１．３１ｇ／ｃｍ^３、比熱１．１３Ｊ／ｇＫ
ポリイミド樹脂Ｄ：密度１．３３ｇ／ｃｍ^３、比熱１．１５Ｊ／ｇＫ
ポリイミド樹脂Ｅ：密度１．３２ｇ／ｃｍ^３、比熱１．１１Ｊ／ｇＫ
ポリイミド樹脂Ｆ：密度１．３６ｇ／ｃｍ^３、比熱１．０９Ｊ／ｇＫ
ポリイミド樹脂Ｇ：密度１．３０ｇ／ｃｍ^３、比熱１．１２Ｊ／ｇＫ
ポリイミド樹脂Ｈ：密度１．４１ｇ／ｃｍ^３、比熱１．１１Ｊ／ｇＫ
エポキシ系樹脂：密度１．２ｇ／ｃｍ^３、比熱１．０５Ｊ／ｇＫ

（金属ベース基板中の絶縁膜の膜厚当たりの耐電圧）
膜厚当たりの耐電圧は、株式会社計測技術研究所の多機能安全試験器７４４０を用いて測定した。金属ベース基板の銅箔をφ６ｍｍのパターンにエッチングしたのち、銅箔のパターン部分に電極（φ６ｍｍ）を配置した。銅基板と電極をそれぞれ電源に接続し、６０００Ｖまで３０秒で昇圧した。銅基板と電極との間に流れる電流値が５０００μＡになった時点の電圧値を測定した。得られた電圧値を、絶縁膜の膜厚で除し、得られた値を膜厚当たりの耐電圧とした。

（金属ベース基板中の絶縁膜の熱抵抗）
金属ベース基板の銅箔上に、放熱シート（ＢＦＧ−３０Ａ：デンカ株式会社製）を介して発熱体（ＴＯ−３Ｐ）を載置した。発熱体を載置した金属ベース基板を、発熱体の上部からトルク４０Ｎｃｍのねじによって積層方向に加圧した。そして、Ｔ３Ｓｔｅｒを用いて、発熱体から銅基板までの熱抵抗を測定した。発熱体の発熱条件は１０Ａ、３０秒とし、熱抵抗の測定条件は、０．０１Ａ、測定時間６０秒とした。同様の測定を、絶縁膜を形成していない銅基板単体に対して行い、その熱抵抗を金属ベース基板の測定値から減じた値を、熱抵抗とした。

（金属ベース基板の冷熱サイクルに対する信頼性）
金属ベース基板の銅箔上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを塗布して、縦２．５ｃｍ×横２．５ｃｍ×厚み１００μｍのはんだ層を形成し、そのはんだ層の上に、２．５ｃｍ角のＳｉチップを搭載して、試験体を作製した。作製した試験体に、１サイクルが−４０℃×３０分間〜１５０℃×３０分間の冷熱サイクルを３０００サイクル付与した。冷熱サイクル付与後の試験体を、樹脂埋めし、断面を研磨によって出した試料を用いて観察し、はんだ層に生じたクラックの長さ（ｍｍ）を測定した。はんだ層の一辺の長さと、測定したクラックの長さとから下記式より算出した値を、接合信頼性とした。
信頼性（％）＝｛（はんだ層の一辺の長さ（２５ｍｍ）−２×クラックの長さ）／接合層の一辺の長さ（２５ｍｍ）｝×１００

塗布法によって形成した絶縁膜であって、無機物フィラーの平均粒子径、無機物フィラーの含有量、ボイド率及び弾性率が本発明の範囲内にある本発明例１〜５８で得られた絶縁膜は、絶縁性、耐電圧性、熱伝導性に優れることがわかる。また、本発明例１〜５８で得られた絶縁膜を用いた金属ベース基板は、冷熱サイクルに対する信頼性が１００％であることから、絶縁膜は応力緩和性にも優れていることがわかる。

これに対して、ボイド含有率と弾性率が本発明の範囲内よりも大きい比較例１〜３で得られた絶縁膜は、熱抵抗が大きく、熱伝導性が低くなった。また、比較例１〜３の絶縁膜を用いた金属ベース基板は冷熱サイクルに対する信頼性が低下しており、絶縁膜の応力緩和性も低くなった。
また、α−アルミナ粒子分散樹脂溶液のα−アルミナ濃度が３０質量％とされた比較例４〜１２の絶縁膜は、熱伝導度が低く、熱抵抗が大きくなり、熱伝導性が低くなった。一方、α−アルミナ粒子分散ポリイミド溶液のα−アルミナ濃度が９０質量％とされた比較例１５では、絶縁膜を形成できなかった。これは、樹脂の含有量が少なくなりすぎたためである。

また、α−アルミナ粒子の平均粒子径が２０μｍを超える比較例１３の絶縁膜は、膜厚当たりの耐電圧が低くなった。これは、α−アルミナ粒子の周りに電界の集中が起こり、絶縁破壊しやすくなったためである。α−アルミナ粒子の平均粒子径が２０μｍ以下である場合は、絶縁膜中の無機物フィラーの濃度が均一になりやすくなり、電界の集中が起こりにくくなるため、絶縁耐電圧が向上すると考えられる。一方、α−アルミナ粒子の平均粒子径が０．１μｍ未満である比較例１４の絶縁膜は、ボイド含有率が高くなった。これは、α−アルミナ粒子の粒子径ボイドが小さいため、樹脂の流動抵抗が大きくなったためである。

さらに、エポキシ系樹脂を用いた比較例１６で得られた金属ベース基板は、ボイド含有率が高く、膜厚当たりの耐電圧が低くなった。これは、劣化しやすいエポキシ樹脂では高温で加熱することができず、樹脂の粘度を下げられないため、ボイドが多く残ってしまったためである。

図３に、本発明例５で作製した絶縁膜の断面のＳＥＭ写真を示す。図３に示す本発明例５で得られた絶縁膜は、樹脂（ポリイミド樹脂）１１と無機物フィラー（α−アルミナ粒子）１２との間にボイド１３は殆ど見られなかった。

［本発明例５９］
ポリイミドＤとＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）とを混合し、ポリイミドＤを溶解させることによって、ポリイミド濃度が５質量％のポリイミド溶液を調製した。また、α−アルミナ粉末（結晶構造：単結晶、平均粒子径：０．７μｍ）とＮＭＰとを混合し、３０分間超音波処理を行なうことによって、α−アルミナ粒子濃度が１０質量％のα−アルミナ粒子分散液を調製した。

ポリイミド溶液とα−アルミナ粒子分散液とを、α−アルミナ濃度が５０体積％となる割合で混合した。次いで、得られたα−アルミナ粒子分散ポリイミド溶液に水を滴下して、ポリイミドを析出させて、ポリイミド粒子とα−アルミナ粒子とを含む電着液を調製した。得られた電着液の固形分のα−アルミナ濃度は５０体積％であった。

得られた電着液に、厚み０．３ｍｍで３０ｍｍ×２０ｍｍの銅基板と、ステンレス電極とを浸漬し、銅基板を正極、ステンレス電極を負極として、１００Ｖの直流電圧を印加して、銅基板の表面に電着膜を形成した。なお、銅基板の裏面は保護テープを貼り付けて、電着膜が形成されないように保護した。電着膜の膜厚は、加熱によって生成する絶縁膜の耐電圧が２．５ｋＶとなる厚みとした。次いで、電着膜を形成した銅基板を、大気雰囲気下、２５０℃で３分間加熱して、電着膜を乾燥させて、絶縁膜付き銅基板を作製した。そして、得られた絶縁膜付き金属基板の絶縁膜を用いること以外は、本発明例１と同様にして、金属ベース基板を作製した。

［本発明例６０〜７１、比較例１７〜比較例１９］
α−アルミナ粉末として表５に示すものを用い、電着液の固形分のα−アルミナ濃度を表５に示す濃度としたこと以外は、本発明例５９と同様にして絶縁膜付き銅基板を作製した。そして、得られた絶縁膜付き金属基板を用いたこと以外は、本発明例５９と同様にして、金属ベース基板を作製した。なお、表中の粘度は、２００℃における樹脂の粘度である。

［評価］
得られた金属ベース基板の絶縁膜について、本発明例１と同様の評価を行なった。その結果を、表６に示す。

電着法によって形成した絶縁膜であって、無機物フィラーの平均粒子径、無機物フィラーの含有量、ボイド率及び弾性率が本発明の範囲内にある本発明例５９〜７１で得られた絶縁膜は、絶縁性、耐電圧性、熱伝導性に優れ、従って放熱性に優れることがわかる。また、本発明例５９〜７１で得られた絶縁膜を用いた金属ベース基板は、冷熱サイクルに対する信頼性が１００％であることから、絶縁膜は応力緩和性にも優れていることがわかる。
一方、電着液の固形分のα−アルミナ濃度が３０体積％とされた比較例１７〜１９の絶縁膜は、熱伝導度が低く、熱抵抗が大きくなり、放熱性が低くなった。

１０ 絶縁膜
１１ 樹脂
１２ 無機物フィラー
１３ ボイド
２０ 金属ベース基板
２１ 金属基板
２２ 金属箔

Claims (5)

1. 樹脂と、前記樹脂に分散された無機物フィラーとを含む絶縁膜であって、
   前記樹脂は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物であって、
   前記無機物フィラーは、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあり、
   前記絶縁膜に対する前記無機物フィラーの含有量が５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にあって、ボイド含有率が１０％以下であって、１００℃における弾性率が１ＧＰａ以下であることを特徴とする絶縁膜。
2. 前記無機物フィラーがα−アルミナ粒子であり、前記α−アルミナ粒子は、真密度に対するタップ密度の比が０．１以上であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁膜。
3. 前記α−アルミナ粒子が単結晶粒子であることを特徴とする請求項２に記載の絶縁膜。
4. 金属基板と、絶縁膜と、金属箔とがこの順で積層された金属ベース基板であって、
   前記絶縁膜が請求項１から３のいずれか１項に記載の絶縁膜からなることを特徴とする金属ベース基板。
5. 金属基板の上に、溶媒と、樹脂と、平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にある無機物フィラーとを含み、前記樹脂と前記無機物フィラーとの合計量に対する前記無機物フィラーの含有量が５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にある湿潤絶縁性組成物膜を形成する湿潤絶縁性組成物膜形成工程と、
   前記湿潤絶縁性組成物膜を乾燥させて絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
   前記絶縁膜の上に金属箔を積層し、得られた積層体を、２００℃以上の温度で加熱しながら１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧力で、６０分以上圧着して、前記絶縁膜と前記金属箔を接合する圧着工程と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の金属ベース基板の製造方法。

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