JP2021163827A

JP2021163827A - 金属ベース基板、電子部品実装基板

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Publication number: JP2021163827A
Application number: JP2020062822A
Authority: JP
Inventors: 史朗石川; Shiro Ishikawa; 慎太郎原; Shintaro Hara; 広行森; Hiroyuki Mori; 航世福岡; Kosei FUKUOKA
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-10-11
Also published as: TW202147928A; CN115362546A; EP4129664A1; EP4129664A4; KR20220159996A; US20230111128A1; WO2021200895A1

Abstract

【課題】はんだ層を介して電子部品を接合した状態で、冷熱サイクルを付与しても、はんだクラックの発生が起こりにくい金属ベース基板、及びこれを用いた電子部品実装基板を提供する。
【解決手段】金属基板と、前記金属基板の一方の面に積層された絶縁層と、前記絶縁層の前記金属基板側とは反対側の面に積層された回路層と、を備えた金属ベース基板であって、前記回路層は、半軟化温度が１００℃以上１５０℃以下の金属からなり、前記絶縁層は、樹脂を含み、前記絶縁層の厚みｔ（μｍ）と前記絶縁層の１００℃における弾性率Ｅ（ＧＰａ）との関係が下記の式（１）を満たすことを特徴とする。
１０＜ｔ／Ｅ・・・（１）
【選択図】なし

Description

本発明は、金属ベース基板、及びこれを用いた電子部品実装基板に関する。

半導体素子などの電子部品を実装するための基板は、電子部品の動作によって発生した熱を外部に効率よく放熱できる金属ベース基板であることが好ましい。金属ベース基板としては、ベース基板として金属基板を用い、この金属基板と、絶縁層と、回路層とがこの順で積層された金属ベース基板が知られている。電子部品は、回路層の上に、はんだ層を介して接合される。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、絶縁層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。

金属ベース基板の絶縁層は、一般に絶縁性に優れる樹脂と、熱伝導性に優れるセラミック粒子（熱伝導性フィラー、無機充填材）とを含む絶縁性樹脂組成物から形成されている。絶縁層用の樹脂としては、ポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂、シリコーン樹脂が用いられている。従来、こうした金属ベース基板では、絶縁層を構成する樹脂を低弾性率化することによって、はんだ層に加わる熱応力を低減させていた（例えば、特許文献１、２を参照）。

特許第５６５００８４号公報特許第５６６５４４９号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示された発明では、絶縁層を構成する樹脂を低弾性率化させることで、金属基板の膨張による熱応力は緩和できても、回路層が熱膨張するために、はんだ層に加わる熱応力を大きく低減させることには限界があった。そして、絶縁層を構成する樹脂を低弾性率化させるほど、絶縁層が柔軟になり、回路層の熱膨張を抑制できなくなる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、はんだ層を介して電子部品を接合した状態で、冷熱サイクルを付与しても、はんだクラックの発生が起こりにくい金属ベース基板、及びこれを用いた電子部品実装基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らは以下の知見を見出した。即ち、回路層の半軟化温度の範囲を限定し、かつ、絶縁層の厚みと絶縁層を構成する樹脂の弾性率との関係を定義することにより、はんだ層に加わる熱応力を抑制可能である。

こうした知見に基づいて、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の金属ベース基板は、金属基板と、前記金属基板の一方の面に積層された絶縁層と、前記絶縁層の前記金属基板側とは反対側の面に積層された回路層と、を備えた金属ベース基板であって、前記回路層は、半軟化温度が１００℃以上１５０℃以下の金属からなり、前記絶縁層は、樹脂を含み、前記絶縁層の厚みｔ（μｍ）と前記絶縁層の１００℃における弾性率Ｅ（ＧＰａ）との関係が下記の式（１）を満たすことを特徴とする。
１０＜ｔ／Ｅ・・・（１）

また、本発明では、前記絶縁層は、前記樹脂にフィラーを分散させたものであってもよい。

また、本発明では、前記絶縁層と前記回路層の間、または前記絶縁層と前記金属基板の間のうち、少なくとも一方に、密着層を有してもよい。また、前記密着層は、フィラーが分散していてもよく、また前記絶縁層よりも含まれるフィラーの体積割合が少なくてもよい。

本発明の電子部品実装基板は、前記各項に金属ベース基板と、前記金属ベース基板の前記回路層にはんだ層を介して接合した電子部品とを有することを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る金属ベース基板を備えた電子部品実装基板を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属ベース基板を備えた電子部品実装基板を示す断面図である。
電子部品実装基板１０は、金属ベース基板２０と、この金属ベース基板２０にはんだ層１２を介して接合された電子部品１１とを有している。電子部品１１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。

はんだ層１２は、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだなど、各種はんだを用いることができ、特に制限されない。

金属ベース基板２０は、金属基板２１と、この金属基板２１の一方の面に積層された絶縁層２２と、絶縁層２２の金属基板２１側とは反対側の面に積層された回路層２３とを有している。

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は、金属基板２１としては、例えば、銅板、アルミニウム板及びこれらの積層板を用いることができる。

絶縁層２２は、絶縁性樹脂（樹脂）２２ａとセラミック粒子（フィラー）２２ｂとを含む絶縁性熱伝導性樹脂組成物から形成されている。絶縁層２２を、絶縁性が高い絶縁性樹脂２２ａに、熱伝導性が高く、かつ絶縁性のセラミック粒子２２ｂを分散させたものから形成することによって、絶縁性を維持しつつ、回路層２３から金属基板２１までの金属ベース基板２０全体の熱抵抗をより低減させることができる。これにより、電子部品１１で生じた熱を金属基板２１側から容易に放熱することができる。

絶縁性樹脂３１は、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂、もしくはこれらの混合物であることが好ましい。ポリイミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂は、イミド結合を持つので、優れた耐熱性と機械特性を有する。

フィラーの一例であるセラミック粒子２２ｂとしては、シリカ（二酸化ケイ素）粒子、アルミナ（酸化アルミニウム）粒子、窒化ホウ素（ＢＮ）粒子、酸化チタン粒子、アルミナドープシリカ粒子、アルミナ水和物粒子、窒化アルミニウム粒子などを用いることができる。セラミック粒子２２ｂ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。これらのセラミック粒子の中では、アルミナ粒子は熱伝導性が高い点で好ましい。セラミック粒子２２ｂの形態は、特に制限はないが、微細なセラミック粒子の凝集粒子、あるいは単結晶のセラミック粒子であることが好ましい。

微細なセラミック粒子の凝集粒子は、一次粒子が比較的弱く連結しているアグロメレートであってもよいし、一次粒子が比較的強く連結しているアグリゲートであってもよい。
また、凝集粒子同士がさらに集合した粒子集合体を形成していてもよい。セラミック粒子２２ｂの一次粒子が凝集粒子を形成して、絶縁層２２の絶縁性樹脂（樹脂）２２ａ中に分散していることによって、セラミック粒子２２ｂ間の相互接触によるネットワークが形成されて、セラミック粒子２２ｂの一次粒子間を熱が伝導しやすくなり、絶縁層２２の熱伝導度が向上する。

微細なセラミック粒子の凝集粒子の市販品としては、ＡＥ５０、ＡＥ１３０、ＡＥ２００、ＡＥ３００、ＡＥ３８０、ＡＥ９０Ｅ（いずれも、日本アエロジル株式会社製）、Ｔ４００（ワッカー社製）、ＳＦＰ−２０Ｍ（デンカ株式会社製）などのシリカ粒子、Ａｌｕ６５（日本アエロジル株式会社製）、ＡＡ−０４（住友化学株式会社製）などのアルミナ粒子、ＡＰ−１７０Ｓ（Ｍａｒｕｋａ社製）などの窒化ホウ素粒子、ＡＥＲＯＸＩＤＥ（Ｒ）ＴｉＯ２Ｐ９０（日本アエロジル株式会社製）などの酸化チタン粒子、ＭＯＸ１７０（日本アエロジル株式会社製）などのアルミナドープシリカ粒子、Ｓａｓｏｌ社製のアルミナ水和物粒子などを用いることができる。

単結晶のセラミック粒子は、αアルミナ（αＡｌ_２Ｏ_３）の結晶構造を有するαアルミナ単結晶粒子であることが好ましい。αアルミナ単結晶粒子の市販品としては、住友化学株式会社から販売されているアドバンストアルミナ（ＡＡ）シリーズのＡＡ−０３、ＡＡ−０４、ＡＡ−０５、ＡＡ−０７、ＡＡ−１．５などを用いることができる。

絶縁層２２中のセラミック粒子２２ｂの含有量は、例えば、６０体積％以上８０体積％以下の範囲内であればよい。セラミック粒子２２ｂの含有量が少なくなりすぎると、絶縁層２２の熱伝導性が十分に向上せず、金属ベース基板２０全体の熱抵抗が高くなるおそれがある。一方、セラミック粒子２２ｂの含有量が多くなりすぎると、絶縁性樹脂２２ａの含有量が相対的に減少して、絶縁層２２の弾性率が高くなりすぎて、冷熱サイクルによって、はんだ層１２に加わる応力を絶縁層２２で緩和することが難しくなる。

絶縁層２２の厚みは、特には制限されるものではないが、例えば、１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、３μｍ以上１００μｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。

本実施形態の金属ベース基板２０の絶縁層２２は、絶縁層２２の厚みｔ（μｍ）と絶縁層２２の１００℃における弾性率Ｅ（ＧＰａ）との関係が下記の式（１）を満たすように形成される。
１０＜ｔ／Ｅ・・・（１）
絶縁層２２の厚みｔと絶縁層２２の弾性率Ｅとの関係を、上述した式（１）を満たすように絶縁層２２を低弾性率化させれば、金属基板２１の熱膨張による応力を十分緩和できる。

回路層２３は、半軟化温度が１００℃以上、１５０℃以下の金属箔であればよく、例えば、アルミニウム、銅及びこれら金属の合金を用いることができる。これらの金属の中では、銅が好ましい。銅としては、例えば、４Ｎ銅（純度９９．９９％）が挙げられる。こうした４Ｎ銅には、半軟化温度を１００℃以上１５０℃以下とするために、微量の添加元素を含むことが好ましい。添加元素としては、イットリウム、スカンジウム、サマリウム、ランタン、セリウム、ホウ素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ジルコニウム、ハフニウム、ネオジム、タンタル、カルシウム、マンガンが挙げられる。

回路層２３の膜厚は、１０μｍ以上２０００μｍ以下の範囲内、好ましくは２０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にある。回路層２３の膜厚が薄くなりすぎると、許容電流が小さくなったり、熱抵抗が高くなるおそれがある。一方、回路層２３の膜厚が厚くなりすぎると、エッチングにより回路パターンを形成するのが困難となるおそれがある。

本実施形態の回路層２３は、半軟化温度が１００℃以上、１５０℃以下の金属箔、例えば４Ｎ銅箔を用いる。
ここでいう半軟化温度とは、試料を焼鈍していき、引張試験によって耐力を測定した際の焼鈍前の耐力と、完全に軟化したとき（３０分焼鈍後にそれ以上焼鈍温度を上げても耐力が変化しない状態を、完全に軟化したとみなす）の耐力との間の、中間の耐力に相当する焼鈍温度を半軟化温度とする。なお焼鈍前の耐力は、冷間圧延後の耐力とする。

上述した構成に加えて、更に、絶縁層２２と回路層２３との間、または絶縁層２２と金属基板２１との間、あるいはその両方に密着層２５を設けてもよい。本実施形態では、絶縁層２２と回路層２３との間に密着層２５を設けた例を示している。
密着層２５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、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂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、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

密着層２５は、熱伝導性を向上させるために、熱伝導性フィラーを分散させてもよい。熱伝導性フィラーとしては、セラミック粒子を用いることができる。セラミック粒子の例としては、シリカ粒子、アルミナ粒子、窒化ホウ素粒子、酸化チタン粒子、アルミナドープシリカ粒子、アルミナ水和物粒子、リン酸被覆窒化アルミニウム粒子が挙げられる。

密着層２５に含まれるフィラーは、絶縁層２２に含まれるフィラーよりも、含有するフィラーの体積割合を少なくすることが好ましい。密着層２２中のフィラーの含有量は、例えば、セラミック粒子をフィラーとして用いた場合に、２０体積％以上６０体積％以下の範囲内であればよい。

以上のような構成の本実施形態の金属ベース基板２０、およびこれを用いた電子部品実装基板１０によれば、回路層２３を半軟化温度が１００℃以上、１５０℃以下のものを用い、かつ、絶縁層２２は厚みｔ（μｍ）と絶縁層２２の１００℃における弾性率Ｅ（ＧＰａ）との関係が上述した式（１）を満たすようにすることによって、はんだ層１２を介して電子部品１１を接合した状態で、冷熱サイクルが加わっても、はんだ層１２に過剰な応力が加わることを抑制でき、はんだクラックの発生が起こりにくい金属ベース基板２０、及びこれを用いた電子部品実装基板１０を実現できる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

本発明の効果を検証した。
（回路層となる銅箔の作成）
純度９９．９９６質量％以上の無酸素銅に、イットリウム（Ｙ）を表１に示す濃度となるように添加し、真空溶解（０．１Ｐａ）によって溶製した．そして、得られた鋳塊を熱間圧延で厚さ１０ｍｍにした後、面削し、焼鈍と冷間圧延を繰り返し、所定の厚みとした。

（絶縁層形成用塗布液の作製）
セラミック粒子として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子（ＡＡ−０７：住友化学株式会社製）を用意した。用意したアルミナ粒子１．０ｇを、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）１０ｇに対して投入し、３０分間超音波処理して、セラミック粒子分散液を調製した。
次に、１００℃における弾性率が１００ＭＰａである溶剤可溶性ポリイミドのポリイミド溶液（市販品）とセラミック粒子分散液とを、樹脂成分とセラミック粒子の合計量に対するセラミック粒子の含有量が６０体積％となるように混合した。次いで、溶媒で、混合物中のポリイミドの濃度が５質量％となるように希釈した。続いて得られた混合物を、湿式微粒化装置（スターバースト：株式会社スギノマシン製）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って、セラミック粒子分散ポリイミド溶液（絶縁層形成用塗布液）を調製した。

（絶縁層の形成）
厚み２．０ｍｍで５０ｍｍ×５０ｍｍの銅基板の表面に、上述した絶縁層形成用塗布液を加熱によって生成する絶縁層の厚み（μｍ）を絶縁層の１００℃における弾性率（ＧＰａ）で除算した値が表１に示す値になるように、バーコート法により塗布して絶縁層形成用塗布層を形成した。次いで、絶縁層形成用塗布層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、さらに１℃／分で１２０℃まで昇温し、１２０℃で１００分間加熱して、絶縁層形成用塗布層を乾燥させた。その後、銅基板を２５０℃で１分間、４００℃で１分間加熱して、銅基板の一面に絶縁層を形成した。

なお、絶縁層の弾性率は、下記の測定手順によって測定した値を用いた。
絶縁層を０．１ｍｍの銅板に塗布し、乾燥したのち、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・ジャパン株式会社製））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。

（回路層の貼り付け）
絶縁層の上に、表１に記載の厚みで４０ｍｍ×４０ｍｍの銅箔（配線層）を重ね合わせ、次いで、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２１５℃の温度で１２０分間加熱して、絶縁層と銅箔とを貼り合わせた。以上のようにして、銅基板と絶縁層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。

表１に本発明例１〜３６と、比較例１〜３の検証結果を示す。なお表１中の「信頼性」は、下記に示す信頼性試験による結果、信頼性が８０%以上であるものを○、信頼性が８０％未満であるものを×とした。
（信頼性試験）
金属基板に絶縁層を形成し、この上に配線層として銅箔を形成し、更に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、このはんだ層の上に、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で包埋して、チップ中心付近を断面研磨して形成した観察面を観察し、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の信頼性を示す式より算出した値を、接合信頼性とした。接合信頼性が９０％以上のものを信頼性〇、それ以外を×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

表１に示す結果によれば、回路層の半軟化温度が１００℃以上、１５０℃以下であり、かつ、絶縁層の厚みｔ（μｍ）と絶縁層の１００℃における弾性率Ｅ（ＧＰａ）との関係が下記の式（１）を満たす絶縁層を備えた本発明例１〜３６の金属ベース基板は、信頼性が必要要件を満たしており、冷熱サイクルが加わっても、はんだ層にはんだクラックの発生が起こりにくい金属ベース基板であることが確認された。一方、比較例１〜３の金属ベース基板は、信頼性が必要要件を満たしておらず、冷熱サイクルが加わると、はんだ層にはんだクラックの発生が起こる懸念がある。よって、本発明の金属ベース基板の効果が確認できた。

１０電子部品実装基板
１１電子部品
１２はんだ層
２０金属ベース基板
２１金属基板
２２絶縁層
２２ａ絶縁性樹脂（樹脂）
２２ｂセラミック粒子（フィラー）
２３回路層。

Claims

金属基板と、前記金属基板の一方の面に積層された絶縁層と、前記絶縁層の前記金属基板側とは反対側の面に積層された回路層と、を備えた金属ベース基板であって、
前記回路層は、半軟化温度が１００℃以上１５０℃以下の金属からなり、
前記絶縁層は、樹脂を含み、前記絶縁層の厚みｔ（μｍ）と前記絶縁層の１００℃における弾性率Ｅ（ＧＰａ）との関係が下記の式（１）を満たすことを特徴とする金属ベース基板。
１０＜ｔ／Ｅ・・・（１）
前記絶縁層は、前記樹脂にフィラーを分散させたものであることを特徴とする請求項１に記載の金属ベース基板。
前記絶縁層と前記回路層の間、または前記絶縁層と前記金属基板の間のうち、少なくとも一方に、フィラーを分散させた密着層を有し、
前記密着層は、前記絶縁層よりも含まれるフィラーの体積割合が少ないことを特徴とする請求項２に記載の金属ベース基板。
請求項１から３のいずれか一項に記載の金属ベース基板と、前記金属ベース基板の前記回路層にはんだ層を介して接合した電子部品とを有することを特徴とする電子部品実装基板。