JP2021163879A - 金属ベース基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】電子部品を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性に優れる金属ベース基板を提供する。
【解決手段】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であって、前記絶縁層は、絶縁樹脂と無機物フィラーとを含み、絶縁層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、回路層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、絶縁層の厚み（単位：μｍ）、回路層の厚み（単位：μｍ）、金属基板の厚み（単位：μｍ）が所定の式を満たすように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属ベース基板に関する。
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、絶縁層と、回路層とがこの順で積層された積層体である。絶縁層は、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、回路層の上に、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層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
電子部品を実装したときの冷熱サイクルによるはんだクラックの発生を抑制し、冷熱サイクルに対する信頼性を向上させるために、金属ベース基板の絶縁層の弾性率を低くして、絶縁層を変形しやすくすることにより、金属ベースの膨張による熱応力を緩和することは有効である。しかしながら、回路層の膨張によるはんだへの応力も存在しているため、金属ベース基板の絶縁層の弾性率を低くすることだけでは、冷熱サイクルに対する信頼性を向上させるのは限界がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、電子部品を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性に優れる金属ベース基板を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の金属ベース基板は、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であって、前記絶縁層は、絶縁樹脂と無機物フィラーとを含み、前記金属基板が、厚みが１６００μｍ未満の銅基板である場合は、下記の式（Ｉ）で定義されるＡが０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあって、前記金属基板が、厚みが１６００μｍ以上の銅基板である場合は、下記の式（II）で定義されるＢが０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあり、前記金属基板が、厚みが１６００μｍ未満のアルミニウム基板である場合は、下記の式（III）で定義されるＣが０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあって、前記金属基板が、厚みが１６００μｍ以上のアルミニウム基板である場合は、下記の式（IV）で定義されるＤが０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあることを特徴としている。
Figure 2021163879
Figure 2021163879
Figure 2021163879
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ただし、式（Ｉ）〜式（IV）において、ｋ１は絶縁層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、ｋ２は回路層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、ｔ１は絶縁層の厚み（単位：μｍ）、ｔ２は回路層の厚み（単位：μｍ）、ｔ３は、金属基板の厚み（単位：μｍ）を表す。
本発明の金属ベース基板によれば、前記の式（Ｉ）〜（IV）によって算出されるＡ〜Ｄの値はそれぞれ、金属ベース基板にはんだを用いて半導体素子やＬＥＤなどの電子部品を実装した際に、冷熱サイクル中にはんだに付与されるミーゼス応力と高い相関を有し、それらのＡ〜Ｄの値が０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあるので、冷熱サイクルを付与したときに生じるはんだに付与されるミーゼス応力が小さくなる。また、絶縁層の弾性率を過度に低くする必要がないので、絶縁層による回路層の拘束力が低下しない。よって、本発明の金属ベース基板は、電子部品を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性に優れる。
ここで、本発明の金属ベース基板において、前記絶縁層は、１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）に対する厚み（単位：μｍ）の比が１０以上であることが好ましい。
この場合、絶縁層の厚み／弾性率が１０以上と大きいので、絶縁層が変形しやすくなり、冷熱サイクルによる金属基板と電子部品の熱膨張率の差を、絶縁層で緩和させやすくなる。よって、この金属ベース基板は、電子部品を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性がより向上する。
本発明によれば、電子部品を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性に優れる金属ベース基板を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る金属ベース基板の概略断面図である。 ミーゼス応力のシミュレーション値の計算に用いた接合構造体を模式的に示す断面図である。 図２に示す接合構造体の平面図である。
以下に、本発明の一実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る金属ベース基板の概略断面図である。
図１において、金属ベース基板１０は、金属基板２０と、絶縁層３０と、回路層４０とがこの順で積層された積層体である。金属ベース基板１０の回路層４０の上には、はんだ５０を介して、電子部品６０の電極端子６１が接続されている。
金属基板２０は、金属ベース基板１０のベースとなる部材である。金属基板２０は、銅基板もしくはアルミニウム基板である。銅基板は、銅または銅合金からなる。アルミニウム基板は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる。
絶縁層３０は、金属基板２０と回路層４０とを絶縁するための層である。絶縁層３０は、絶縁樹脂３１と無機物フィラー３２とを含む絶縁性樹脂組成物から形成されている。絶縁層３０を、絶縁性が高い絶縁樹脂３１と、熱伝導度が高い無機物フィラー３２とを含む絶縁性樹脂組成物から形成することによって、絶縁性を維持しつつ、回路層４０から金属基板２０までの金属ベース基板１０全体の熱抵抗をより低減させることができる。
絶縁樹脂３１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を含むことが好ましい。これらの樹脂は、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ので、金属ベース基板１０のこれらの特性が向上する。
無機物フィラー３２は、平均粒子径が０．１μｍ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３２の平均粒子径が０．１μｍ以上であることによって、絶縁層３０の熱伝導性が向上する。無機物フィラー３２の平均粒子径が２０μｍ以下であることによって、絶縁層３０の耐電圧性が向上する。また、無機物フィラー３２の平均粒子径が上記の範囲内にあると、無機物フィラー３２が凝集粒子を形成しにくく、絶縁樹脂３１中に無機物フィラー３２を均一に分散させやすくなる。無機物フィラー３２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絶縁樹脂３１に分散していると、絶縁層３０の耐電圧性が向上する。絶縁層３０の熱伝導性を向上させる観点では、無機物フィラー３２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。
絶縁層３０の無機物フィラー３２の含有量は、５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にあることが好ましい。無機物フィラー３２の含有量が５０体積％以上であることによって、絶縁層３０の熱伝導性が向上する。一方、無機物フィラー３２の含有量が８５体積％以下であることによって、絶縁層３０の耐電圧性が向上する。また、無機物フィラー３２の含有量が上記の範囲内にあると、絶縁樹脂３１中に無機物フィラー３２を均一に分散させやすくなる。無機物フィラー３２が均一に絶縁樹脂３１に分散していると、絶縁層３０の機械的強度が向上する。絶縁層３０の熱伝導性を向上させる観点では、無機物フィラー３２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。
無機物フィラー３２としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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（ＳｉＯ２）粒子、炭化珪素（ＳｉＣ）粒子、酸化チタン（ＴｉＯ２）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／真密度は、絶縁層３０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、絶縁層３０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。絶縁層３０中でのα−アルミナ粒子の充填密度が高くなると、絶縁層３０中でのα−アルミナ粒子の間隔が狭くなり、絶縁層３０にボイド（気孔）が発生しにくくなる。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。
絶縁層３０は、１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）に対する厚み（単位：μｍ）の比（厚み／弾性率）が１０以上であることが好ましい。絶縁層３０の厚み／弾性率は、１０以上２０００００以下の範囲内にあることが好ましく、２０以上２００００以下の範囲内にあることがより好ましく、５０以上２００以下 の範囲内にあることがより好ましい。絶縁層３０の１００℃における弾性率は、０．００１ＧＰａ以上１ＧＰａ以下の範囲内にあることが好ましい。また、絶縁層３０の厚みは、１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
回路層４０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回路層４０の上に、電子部品６０の電極端子６１がはんだ５０等を介して接合される。回路層４０の材料としては、銅、アルミニウム、金などの金属を用いることができる。回路層４０は銅箔からなることが好ましい。回路層４０は、弾性率が３０ＧＰａ以上２００ＧＰａ以下の範囲にあることが好ましい。また、回路層４０は、厚みが２μｍ以上２００μｍ以下の範囲にあることが好ましい。
本実施形態の金属ベース基板１０では、金属基板２０が、厚みが１６００μｍ未満の銅基板である場合は、下記の式（Ｉ）で定義されるＡが、金属基板２０が、厚みが１６００μｍ以上の銅基板である場合は、下記の式（II）で定義されるＢが、金属基板２０が、厚みが１６００μｍ未満のアルミニウム基板である場合は、下記の式（III）で定義されるＣが、金属基板２０が、厚みが１６００μｍ以上のアルミニウム基板である場合は、下記の式（IV）で定義されるＤが、それぞれ０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内となるように設定されている。
Figure 2021163879
Figure 2021163879
Figure 2021163879
Figure 2021163879
ただし、式（Ｉ）〜式（IV）において、ｋ１は絶縁層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、ｋ２は回路層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、ｔ１は絶縁層の厚み（単位：μｍ）、ｔ２は回路層の厚み（単位：μｍ）、ｔ３は、金属基板の厚み（単位：μｍ）を表す。
式（Ｉ）〜（IV）によって算出されるＡ〜Ｄの値は、金属ベース基板１０にはんだ５０を用いて電子部品６０を実装した際に、冷熱サイクル中にはんだ５０に付与されるミーゼス応力と高い相関を有する。金属ベース基板１０は、Ａ〜Ｄの値が０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内とされていてので、冷熱サイクル中にはんだ５０に付与されるミーゼス応力は、通常、０．５０×１０８Ｐａ以上３．１０×１０８Ｐａ以下の範囲内に抑えられる。このため、冷熱サイクルを付与したときに、はんだ５０にクラックが生じにくくなる。また、絶縁層３０の弾性率を過度に低くする必要がないので、絶縁層３０による回路層４０の拘束力が低下しにくくなる。このため、回路層４０からはんだ５０に付与される応力を抑制することができる。
金属ベース基板１０の金属基板２０、絶縁層３０および回路層４０の厚みは、例えば、次のようにして測定することができる。金属ベース基板１０を樹脂埋めし、機械研磨によって断面を露出させる。次いで、露出した金属ベース基板１０の断面を、光学顕微鏡を用いて観察して、金属基板２０、絶縁層３０および回路層４０の厚みを測定する。
金属ベース基板１０の金属基板２０の弾性率（引張弾性率）は、引張試験（ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１ 金属材料引張試験方法）によって測定する。回路層４０の弾性率は共振法（装置：日本テクノプラス株式会社製ＴＥ−ＲＴなど）によって測定する。金属ベース基板１０の絶縁層３０の弾性率は、例えば、次のようにして測定することができる。金属ベース基板１０の金属基板２０と回路層４０をエッチングによって除去し、絶縁層３０を単離する。得られた絶縁層３０について、動的粘弾性測定（ＤＭＡ）によって弾性率（引張弾性率）を測定する。
本実施形態の金属ベース基板１０に実装される電子部品６０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。
以下に、本実施形態に係る金属ベース基板１０の製造方法について説明する。
本実施形態に係る金属ベース基板１０は、例えば、設計工程と、絶縁層形成工程と、回路層圧着工程とを含む方法によって製造することができる。
設計工程では、金属基板２０の材料と厚み、絶縁層３０の材料と厚み、回路層４０の材料と厚みを設定する。
最初に、金属基板２０の材料と厚み、絶縁層３０の材料と厚み、回路層４０の材料と厚みを仮設定する。金属基板２０の材料と厚みは、例えば、金属ベース基板１０に要求される放熱性やサイズなどに基づいて仮設定される。絶縁層３０の材料と厚みは、例えば、金属ベース基板１０に要求される絶縁性、耐電圧性に基づいて仮設定される。回路層４０の材料と厚みは、例えば、金属ベース基板１０に実装される電子部品６０の電気特性に基づいて仮設定される。
次に、仮設定した金属基板２０の材料の厚み、絶縁層３０の材料の１００℃における弾性率と厚み、回路層４０の材料の１００℃における弾性率と厚みを、前述の式（Ｉ）〜（IV）のいずれかに代入して、Ａ〜Ｄを算出する。得られたＡ〜Ｄの値が１×１０８未満あるいは３．１０×１０８を超えた場合は、金属基板２０の材料と厚み、絶縁層３０の材料と厚み、回路層４０の材料と厚みを再度仮設定する。Ａ〜Ｄの値が１×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内となった場合は、その金属基板２０の材料と厚み、絶縁層３０の材料と厚み、回路層４０の材料と厚みで金属ベース基板１０を製造する。
絶縁層形成工程では、金属基板２０の上に絶縁層３０を形成して、絶縁層付き金属基板を得る。絶縁層３０の形成方法としては、塗布法または電着法を用いることができる。
塗布法は、溶媒と絶縁樹脂と無機物フィラーとを含む塗布液を、金属基板２０の上に塗布して塗布層を形成し、次いで塗布層を加熱して絶縁層３０を得る方法である。塗布液は、絶縁樹脂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、絶縁樹脂粒子と無機物フィラーとを含む電着液に金属基板２０を浸漬して、基板の表面に絶縁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加熱して絶縁層３０を形成する方法である。電着液としては、絶縁樹脂溶液と、その絶縁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絶縁樹脂溶液に、絶縁樹脂材料の貧溶媒を加えて絶縁樹脂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。
回路層圧着工程では、絶縁層付き金属基板の絶縁層３０の上に金属箔を積層し、得られた積層体を加熱しながら加圧することによって回路層４０を形成して、金属ベース基板１０を得る。積層体の加熱温度は、例えば、２００℃以上であり、２５０℃以上であることがより好ましい。加熱温度の上限は、絶縁樹脂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、例えば、１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内であり、３ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下の範囲内であることがより好ましい。圧着時間は、加熱温度や圧力によって異なるが、一般に６０分間以上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の金属ベース基板１０において、前述の式（Ｉ）〜（IV）によって算出されるＡ〜Ｄの値はそれぞれ、金属ベース基板１０にはんだ５０を用いて電子部品６０を実装した際に、冷熱サイクル中にはんだ５０に付与されるミーゼス応力と高い相関を有する。そして、本実施形態の金属ベース基板１０によれば、Ａ〜Ｄの値が０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあるので、冷熱サイクルを付与したときに付与されるはんだ５０のミーゼス応力が小さくなる。また、絶縁層３０の弾性率を過度に低くする必要がないので、絶縁層３０による回路層４０の拘束力が低下しない。よって、本実施形態の金属ベース基板１０によれば、電子部品６０を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性に優れる。
また、本実施形態の金属ベース基板１０においては、絶縁層３０の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）に対する厚み（単位：μｍ）の比が１０以上であると、絶縁層３０が変形しやすくなり、冷熱サイクルによる金属基板２０と電子部品６０の熱膨張率の差を、絶縁層３０で緩和させやすくなる。よって、電子部品６０を実装したときの冷熱サイクルに対する金属ベース基板１０の信頼性がより向上する。
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。
［本発明例１］
ポリイミド溶液とα−アルミナ粉末（結晶構造：単結晶、平均粒子径：０．７μｍ）とを、加熱によって生成する固形物（絶縁層）中のポリイミドとα−アルミナ粉末の含有比率が６０体積％となるように混合した。得られた混合物に溶媒を加えて、ポリイミドの濃度が５質量％となるように希釈した。続いて得られた希釈混合物を、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って、絶縁層形成用の塗布液を調製した。
厚み１０００μｍで縦３０ｍｍ×横２０ｍｍの銅基板（組成：Ｃ１１００、タフピッチ銅）を用意した。この銅基板の表面に、絶縁層形成用の塗布液をバーコート法により塗布して塗布層を形成した。次いで、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層が形成された厚み３０μｍの絶縁層付き銅基板を作製した。
得られた絶縁層付き銅基板の絶縁層の上に、厚み１４０μｍの銅箔（１００℃における弾性率：７５ＧＰａ）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、絶縁層と銅箔とを圧着した。こうして、銅基板と絶縁層と銅箔とがこの順で積層された銅ベース基板を作製した。
得られた銅ベース基板の絶縁層の厚みと絶縁層の１００℃における弾性率を下記のようにして測定した。その結果を、表１に示す。
（絶縁層の厚み）
銅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。次いで、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、絶縁層の厚みを測定した。
（絶縁層の１００℃における弾性率）
銅ベース基板の銅基板と銅箔と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。
［本発明例１５、１６、２２、２７］
銅基板の厚み、絶縁層の厚みと１００℃における弾性率、回路層の厚みと１００℃における弾性率をそれぞれ、下記の表１及び表２に記載の値に変えたこと以外は、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、絶縁層の弾性率は、フィラーの充填量、およびマトリックスとして使用する樹脂の種類を変えることで調整した。
［評価］
（Ａ値またはＢ値の算出）
銅基板の厚みが１６００μｍ未満で、絶縁層の厚みと１００℃における弾性率、回路層の厚みと１００℃における弾性率がそれぞれ下記の表１に示す値である本発明例１〜２３の金属ベース基板について、前述の式（Ｉ）を用いてＡ値を算出した。その結果を、表１に示す。また、銅基板の厚みが１６００μｍ以上で、絶縁層の厚みと１００℃における弾性率、回路層の厚みと１００℃における弾性率がそれぞれ下記の表２に示す値である本発明例２４〜４３の金属ベース基板について、前述の式（II）を用いてＢ値を算出した。その結果を、表２に示す。
（ミーゼス応力のシミュレーション値）
本発明例１〜４３で使用した銅基板、絶縁層、銅箔を用いた金属ベース基板に、はんだを介して電子部品を実装したときのはんだに付与されるミーゼス応力のシミュレーション値を算出した。図２及び図３に、ミーゼス応力のシミュレーション値の計算に用いた接合構造体の模式図を示す。図２は、接合構造体の断面図であり、図３は、図２に示す接合構造体の平面図である。図２及び図３に示すように、接合構造体１Ｓは、金属ベース基板１０Ｓと、金属ベース基板１０Ｓの角部に接合された電子部品６０Ｓとを含む。金属ベース基板１０Ｓは、金属基板２０Ｓ、絶縁層３０Ｓと、銅箔４０Ｓとがこの順で積層された積層体である。銅箔４０Ｓは絶縁層３０Ｓの上に全体に形成されている。電子部品６０Ｓは、ＡＩＮ（窒化アルミニウム）部材６２Ｓと端子Ｓ６１を備える。電子部品６０Ｓは、ＬＥＤチップとした。電子部品６０Ｓと金属ベース基板１０Ｓの銅箔４０Ｓとは、はんだ５０Ｓを介して接続されている。この接合構造体１Ｓのはんだ５０Ｓに付与されるミーゼス応力のシミュレーション値を算出した。ミーゼス応力のシミュレーション値はＬＩＳＡ（Ｓｏｎｎｅｎｈｏｆ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ）を用いて計算した。接合構造体１Ｓの各部材の特性は、下記の通りとした。その結果を表１と表２に示す。
（１）金属基板２０Ｓ
熱膨張係数：１．８×１０−５（銅）、２．４×１０−５（アルミニウム）
弾性率：１１７ＧＰａ（銅）、７２ＧＰａ（アルミニウム）
ポアソン比：０．３４３（銅）、０．３４３（アルミニウム）
（２）絶縁層３０Ｓ
熱膨張係数：１．０×１０−５、ポアソン比：０．３４３
（３）銅箔４０Ｓ
熱膨張係数：１．８×１０−５、ポアソン比：０．３４３
（４）はんだ５０Ｓ
熱膨張係数：２．０×１０−５、ポアソン比：０．３８、弾性率：３０ＧＰａ
（５）ＡＩＮ（窒化アルミニウム）部材６２Ｓ
熱膨張係数：０．３×１０−５、ポアソン比：０．３、弾性率：１７０ＧＰａ
（６）被接合部材７０Ｓ（ＬＥＤチップ）
熱膨張係数：０．７×１０−５、ポアソン比：０．２５、弾性率：４７０ＧＰａ
Figure 2021163879
Figure 2021163879
Ａ値とＢ値を合わせたデータと、ミーゼス応力シミュレーション値との相関関係を最小二乗法により評価した。その結果、Ａ値とＢ値を合わせたデータとミーゼス応力シミュレーション値の相関係数は０．９５であった。以上の結果から、銅基板を用いた金属ベース基板に、はんだを介して電子部品を実装したときのはんだに付与されるミーゼス応力は、前述の式（Ｉ）または式（II）を用いることによって高い精度で予測できることが確認された。
［本発明例４６、比較例１、５］
銅基板の代わりにアルミニウム基板（組成：合金番号 Ａ４０３２、Ａｌ−Ｓｉ系）を用い、アルミニウム基板の厚み、絶縁層の厚みと１００℃における弾性率、回路層の１００℃における厚みと弾性率をそれぞれ、下記の表３及び表４に記載の値に変えたこと以外は、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、絶縁層の弾性率は、フィラーの充填量、およびマトリックスとして使用する樹脂の種類を変えることで調整した。
［評価］
（Ｃ値またはＤ値の算出）
アルミニウム基板の厚みが１６００μｍ未満で、絶縁層の厚みと１００℃における弾性率、回路層の厚みと１００℃における弾性率がそれぞれ下記の表３に示す値である本発明例４４〜６６の金属ベース基板について、前述の式（III）を用いてＣ値を算出した。その結果を、表３に示す。また、アルミニウム基板の厚みが１６００μｍ以上で、絶縁層の厚みと１００℃における弾性率、回路層の厚みと１００℃における弾性率がそれぞれ下記の表４に示す値である本発明例６７〜７６及び比較例１〜９の金属ベース基板について、前述の式（IV）を用いてＤ値を算出した。その結果を、表４に示す。
（ミーゼス応力のシミュレーション値）
本発明例４４〜７６及び比較例１〜９で使用したアルミニウム基板、絶縁層、銅箔を用いた金属ベース基板に、はんだを介して電子部品を実装したときのはんだに付与されるミーゼス応力のシミュレーション値を、上記と同様にして算出した。その結果を表３と表４に示す。
Figure 2021163879
Figure 2021163879
Ｃ値とＤ値を合わせたデータと、ミーゼス応力シミュレーション値との相関関係を最小二乗法により評価した。その結果、Ｃ値とＤ値を合わせたデータとミーゼス応力シミュレーション値の相関係数は０．９３であった。以上の結果から、アルミニウム基板を用いた金属ベース基板に、はんだを介して電子部品を実装したときのはんだに付与されるミーゼス応力は、前述の式（III）または式（IV）を用いることによって高い精度で予測できることが確認された。
（冷熱サイクルに対する信頼性）
本発明例１、１０、１５、１６、２２、２７、４６及び比較例１、５で作製した金属ベース基板について、冷熱サイクルに対する信頼性を下記の方法により測定した。その結果を、下記の表５に示す。
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
Figure 2021163879
Ａ値〜Ｄ値のいずれかが、０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にある本発明例１、１０、１５、１６、２２、２７、４６のいずれも冷熱サイクルに対する信頼性が高いことが確認された。これは、金属ベース基板の絶縁層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、回路層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、絶縁層の厚み（単位：μｍ）、回路層の厚み（単位：μｍ）、金属基板の厚み（単位：μｍ）が所定の式を満たすように設定されていることによって、冷熱サイクルによって付与される金属ベース基板からはんだへの応力が低減するためである。
一方、Ｄ値が３．１０×１０８を超える比較例１、５は、冷熱サイクルに対する信頼性が低下した。これは、冷熱サイクルによって付与される金属ベース基板からはんだへの応力が大きくなるためである。
１Ｓ 接合構造体
１０、１０Ｓ 金属ベース基板
２０、２０Ｓ 金属基板
３０、３０Ｓ 絶縁層
３１ 絶縁樹脂
３２ 無機物フィラー
４０ 回路層
４０Ｓ 銅箔
５０、５０Ｓ はんだ
６０、６０Ｓ 電子部品
６１、６１Ｓ 電極端子
６２Ｓ ＡＩＮ（窒化アルミニウム）部材

Claims (2)

  1. 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であって、
    前記絶縁層は、絶縁樹脂と無機物フィラーとを含み、
    前記金属基板が、厚みが１６００μｍ未満の銅基板である場合は、下記の式（Ｉ）で定義されるＡが０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあって、
    前記金属基板が、厚みが１６００μｍ以上の銅基板である場合は、下記の式（II）で定義されるＢが０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあり、
    前記金属基板が、厚みが１６００μｍ未満のアルミニウム基板である場合は、下記の式（III）で定義されるＣが０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあって、
    前記金属基板が、厚みが１６００μｍ以上のアルミニウム基板である場合は、下記の式（IV）で定義されるＤが０．５０×１０８以上３．１０×１０８以下の範囲内にあることを特徴とする金属ベース基板。
    Figure 2021163879
    Figure 2021163879
    Figure 2021163879
    Figure 2021163879
     ただし、式（Ｉ）〜式（IV）において、ｋ１は絶縁層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、ｋ２は回路層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、ｔ１は絶縁層の厚み（単位：μｍ）、ｔ２は回路層の厚み（単位：μｍ）、ｔ３は、金属基板の厚み（単位：μｍ）を表す。
  2. 前記絶縁層は、１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）に対する厚み（単位：μｍ）の比が１０以上である請求項１に記載の金属ベース基板。
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