JP4192870B2 - 積層板および配線板 - Google Patents

Description

本発明は、放熱性の良い配線板に好適な積層板と当該積層板を用いた配線板に関する。

電子機器に搭載する配線板は、電子機器の軽薄短小化に伴う微細配線・高密度実装の技術が求められる一方で、発熱に対応する高放熱の技術も求められている。特に、各種制御・操作に大電流を使用する自動車などにおける電子回路では、導電回路の抵抗に起因する発熱やパワー素子からの発熱が非常に多く、配線板の放熱特性は高レベルであることが必須となってきている。

その対策として、シート状の繊維基材に熱硬化性樹脂を保持した絶縁層に厚い銅箔を一体化した積層板を用意し、これを回路加工した配線板がある（例えば、特許文献１の段落番号０００２の記載）。

しかし、上記回路板は、絶縁層の熱伝導率が絶対的に低いために、絶縁層に熱がこもり、回路や素子からの発熱を逃がすことができない。また、上記積層板は、シート状の繊維基材に半硬化状態の熱硬化性樹脂を保持したプリプレグの層と厚い銅箔ないし銅板（例えば、厚さ３００μｍ）を重ねて加熱加圧成形により一体化して製造するが、前記プリプレグが硬化した絶縁層は熱膨張係数が大きいことに起因して、成形後の積層板にそりが発生する。さらに、配線板に半田付によりパワー素子などを実装すると、絶縁層の熱膨張・収縮の応力が半田付部にかかり、半田付部にクラックが発生するなどの心配もある。

特開２００３−１９８１０３号公報

本発明が解決しようとする課題は、パワー素子の搭載に対応し放熱性が求められる配線板に好適な積層板を提供することである。すなわち、積層板の熱伝導率を高くすることである。

上記課題を達成するために、本発明に係る積層板は、樹脂絶縁層の両面に銅箔ないし銅板を一体化した構成において、前記樹脂絶縁層は、熱伝導率が４W／m・K以上であり、樹脂絶縁層の両面に一体化した前記銅箔ないし銅板は、両者の総厚みが６００μｍ以上である。そして、前記樹脂絶縁層は、無機充填材を含有し（式１）で示す分子構造のエポキシ樹脂モノマを配合したエポキシ樹脂組成物の硬化物であり、前記無機充填材は、熱伝導率２０W／m・K以上であって、樹脂固形分１００体積部に対し１０〜１００体積部の量で絶縁層中に存在することを特徴とする。
樹脂絶縁層の厚みは、好ましくは、３００μｍ以下である。

本発明に係る配線板は、上記積層板において、片面の銅箔ないし銅板が所定の電気配線に加工されたものである。

本発明に係る配線板は、電気配線に加工された一方の面の銅箔ないし銅板上にパワー素子が実装される。パワー素子から発生した熱は、電気配線に加工された銅箔ないし銅板から樹脂絶縁層を介して反対面の銅箔ないし銅板に伝わり放散される。このとき、銅箔ないし銅板を用いる場合には、樹脂絶縁層の熱伝導率と銅箔ないし銅板の総厚みを上記のように規定しておくことが重要である。

樹脂絶縁層の熱伝導率が４W／m・Kより小さくなると、樹脂絶縁層には熱がこもりやすくなり、配線とは反対面に位置する銅箔ないし銅板からの放熱が促進されない。樹脂絶縁層には熱がこもりやすいという観点から、樹脂絶縁層の厚みを好ましくは３００μｍ以下にすると、熱の伝導が一層良好になる。また、樹脂絶縁層の両面に一体化した銅箔ないし銅板は、その総厚みを規定することが重要であり、総厚みが６００μｍより小さいと、配線板の厚さ方向の熱伝導が不十分となる。樹脂絶縁層を介して両面に位置する銅箔ないし銅板の個々の厚みは、熱伝導性には影響を与えないので、総厚みを６００μｍ以上とする限りは適宜設定すればよい。

配線板の熱伝導性が良くなることから、その熱膨張は抑えられ、熱膨張率に起因する配線板のそりや半田付部クラックも起こりにくくなる。このような熱伝導性が良好で優れた放熱性を有する配線板は、大電流を流すことができ、そりや半田付部クラックも生じにくいため、自動車機器や大型機械用の配線板に好適である。

本発明を実施するに当り、熱伝導率が４W／m・K以上の樹脂絶縁層は、以下のようにして構成する。
すなわち、無機充填材を含有し（式１）で示す分子構造のエポキシ樹脂モノマを配合したエポキシ樹脂組成物の硬化物層とし、前記無機充填材は、熱伝導率２０W／m・K以上であって、樹脂固形分１００体積部に対し１０〜１００体積部の量で絶縁層中に存在するようにする。

上記（式１）で示す分子構造のエポキシ樹脂モノマは、ビフェニル骨格あるいはビフェニル誘導体の骨格をもち、１分子中に２個以上のエポキシ基をもつエポキシ化合物全般である。エポキシ樹脂モノマの硬化反応を進めるために、硬化剤を配合する。硬化剤は、例えば、アミン化合物やその誘導体、酸無水物、イミダゾールやその誘導体、フェノール類又はその化合物や重合体などである。また、エポキシ樹脂モノマと硬化剤の反応を促進するために、硬化促進剤を使用することができる。硬化促進剤は、例えば、トリフェニルホスフィン、イミダゾールやその誘導体、三級アミン化合物やその誘導体などである。

上記硬化剤や硬化促進剤を配合したエポキシ樹脂組成物に配合する熱伝導率２０W／m・K以上の無機充填材は、金属酸化物又は水酸化物あるいは無機セラミックス、その他の充填材であり、例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化チタン、酸化亜鉛、炭化タングステン、アルミナ、酸化マグネシウム等の無機粉末充填材、合成繊維、セラミックス繊維等の繊維質充填材、着色剤等である。これら無機充填材は２種類以上を併用してもよい。
無機充填材は、樹脂固形分１００体積部に対し１０〜１００体積部の量となるように配合する。前記無機充填材の熱伝導率と配合量の下限値は、樹脂絶縁層の熱伝導率を４W／m・K以上にするために必要である。また、エポキシ樹脂組成物に配合する無機充填材が少ないと、無機充填材をエポキシ樹脂組成物中に均一に分散させることが難しくなる。熱伝導性の確保と共にこの点においても、無機充填材配合量の下限値の規定は重要である。一方、無機充填材の配合量を多くすると、エポキシ樹脂組成物の粘性が増大して取り扱いが難しくなるので、無機充填材配合量の上限値は、このような観点から規定する。

尚、無機充填材の熱伝導率が３０W／m・K以上であれば、樹脂絶縁層の熱伝導率をさらに高くできるので好ましい。また、無機充填材は、その形状が、粉末（塊状、球状）、短繊維、長繊維等いずれであってもよいが、平板状のものを選定すると、高熱伝導率の無機充填材自身が樹脂中で積み重なった状態で存在することになり、積層板の熱伝導性をさらに高くできるので好ましい。上記エポキシ樹脂組成物には、そのほか必要に応じて難燃剤や希釈剤、可塑剤、カップリング剤等を配合することができる。

樹脂絶縁層の形成は、まず、上記エポキシ樹脂組成物をキャリアフィルムに塗布し加熱乾燥して半硬化状態にしたフィルムないしシートにするか、上記エポキシ樹脂組成物を必要に応じ溶剤に希釈してワニスを調製しこれをシート状繊維基材に含浸し、加熱乾燥して半硬化状態にしたプリプレグを準備する。そして、これらを加熱加圧成形して絶縁層とする。前記加熱加圧成形に当っては、銅箔ないし銅板を前記半硬化状態のフィルムないしシート又はプリプレグ層の両面に配置し、これらを加熱加圧成形により一体化して積層板する。
エポキシ樹脂組成物を溶剤に希釈してワニスを調製する場合、溶剤の配合・使用が、エポキシ樹脂硬化物の熱伝導性に影響を与えることはない。

上記プリプレグを製造するために使用するシート状繊維基材は、ガラス繊維や有機繊維で構成された織布や不織布である。アラミド繊維やアルミナ繊維からなるシート状繊維基材にエポキシ樹脂組成物を保持し絶縁層を構成すると、これらの繊維は線膨張係数が小さいために、温度変化による積層板の寸法変化を少なくし、そりの発生を抑える上で好都合である。

絶縁層と一体化され積層板を構成する銅箔ないし銅板は、電解銅、圧延銅のいずれであってもよい。樹脂絶縁層の両面に配置する銅箔ないし銅板は、両者の総厚みが６００μｍ以上であることが必須である。ただし、総厚みが６００μｍ以上であれば、絶縁層の両面で厚みが違っていても同じであってもよい。
加熱加圧成形により樹脂絶縁層と一体化する銅箔ないし銅板は、樹脂絶縁層の一方の面に配置するものは、予め所定の配線回路に加工されたものであってもよい。

以下、本発明に係る実施例を示し、本発明について詳細に説明する。尚、以下の実施例および比較例において、「部」とは「質量部」を意味する。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、本実施例に限定されるものではない。

実施例１
エポキシ樹脂モノマ成分としてビフェニル骨格をもつエポキシ樹脂モノマ（ジャパンエポキシレジン製「ＹＬ６１２１Ｈ」，エポキシ当量１７５）１００部を用意し、これをメチルイソブチルケトン（和光純薬製）１００部に１００℃で溶解し、室温に戻した。前記「ＹＬ６１２１Ｈ」は、既述の分子構造式（式１）において、Ｒ＝−ＣＨ_３，ｎ＝０．１であるエポキシ樹脂モノマと分子構造式（式１）において、Ｒ＝−Ｈ，ｎ＝０．１であるエポキシ樹脂モノマを等モルで含有するエポキシ樹脂モノマである。
硬化剤として１，５−ジアミノナフタレン（和光純薬製「１，５−ＤＡＮ」，アミン当量４０）２２部を用意し、これをメチルイソブチルケトン（和光純薬製）１００部に１００℃で溶解し、室温に戻した。
上記のエポキシ樹脂モノマ溶液と硬化剤溶液を混合・撹拌して均一なワニスにし、さらに無機充填材として窒化ホウ素（電気化学工業製「ＧＰ」，平均粒子径：８μｍ，熱伝導率６０W／m・K，粒子形状：平板状）１０７部（樹脂固形分１００体積部に対し５０体積部に相当）を加えて混練しエポキシ樹脂ワニスを調製した。
このエポキシ樹脂ワニスを、厚さ１００μｍのガラス繊維織布に含浸し加熱乾燥してプリプレグを得た。このプリプレグ６枚の両側に３００μｍ厚の銅箔を重ね、温度１７５℃、圧力４ＭＰａの条件で９０分間加熱加圧形成して一体化し、厚さ１．２mmの積層板を得た。図１に示すように、この積層板をエッチング加工して、樹脂絶縁層３の片面に電気配線２を形成し、他面の銅箔１をそのままとして、配線板とする。

実施例１で得た積層板について熱伝導率およびそり量を測定した結果を、エポキシ樹脂組成物の配合組成と共に表１にまとめて示す。
熱伝導率：積層板からφ５０mmの板状試料を切り出し、熱流計法（ＪＩＳ−Ａ１４１２準拠）にて測定した。熱伝導率が大きいことは、放熱性が優れていることを示している。

そり量：１２５℃〜−４０℃の範囲で冷熱サイクル試験を行ない、１０００サイクル後の平面に対するそり量を測定した。

冷熱サイクル：図１に示すように、配線板にセラミックチップ５を半田４により実装し、１２５℃〜−４０℃の範囲で冷熱サイクル試験を行ない、１０００サイクル後の半田付部クラック発生の有無を調べた。サンプル数はｎ＝１０とし、１０００サイクル後にクラックが発生していないものを〇、１〜２個クラックが発生したものを△、３個以上クラックが発生したものを×とした。

比較例１
「ＹＬ６１２１Ｈ」の代わりにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン製「ＥＰ８２８」，エポキシ当量１８５）を用いる以外は実施例１と同様にしてプリプレグおよび積層板を得た。積層板の熱伝導率は、２．０W／m・Kと実施例１に比べ大きく減少した。

実施例２〜４
実施例１のプリプレグ重ね枚数を４枚（実施例２）、３枚（実施例３）、１枚（実施例４）とする以外は実施例１と同様にしてプリプレグおよび積層板を得た。

各実施例の積層板からφ５０mmの板状試料を切り出し、積層板の熱伝導率を測定した結果、絶縁層が薄くなるほど高い値を示した。

実施例５〜７
エポキシ樹脂ワニスを含浸させるシート状繊維基材を、ガラス繊維織布からガラス繊維不織布（実施例５）、アラミド繊維不織布（実施例６）、アルミナ繊維不織布（実施例７）のそれぞれに変更する以外は、実施例１と同様にしてプリプレグおよび積層板を得た。
各実施例の積層板からφ５０mmの板状試料を切り出し、積層板の熱伝導率を測定した結果、アルミナ繊維不織布を用いた場合（実施例７）には熱伝導率をさらに大きくできることがわかった。配線板のそり量に関しては、アラミド繊維不織布およびアルミナ繊維不織布を用いた場合に、樹脂絶縁層の熱膨張率が小さくなる結果、低減することができた。また、冷熱サイクル試験の結果も、アラミド繊維不織布およびアルミナ繊維不織布を用いた場合は良好であった。

実施例８〜９
実施例６において、銅箔厚みを両面とも１０００μｍ（実施例８）、および上層１００μｍ，下層５００μｍ（実施例９）にする以外は、実施例６と同様にして積層板を得た。
実施例８における積層板は、熱伝導率８４W／m・Kであり、そりもほとんど見られず、冷熱サイクル試験の結果も良好であった。また、実施例９における積層板は、実施例６における積層板の特性とほぼ同等の結果となった。

比較例２
実施例６において、両面の銅箔厚みを７０μｍにする以外は、実施例６と同様にして積層板を得た。この積層板の熱伝導率は７W／m・Kであり、配線板のそりも大きくなった。

比較例３
実施例６において、両面の銅箔厚みを上層２００μｍおよび下層３００μmにする以外は、実施例６と同様にして積層板を得た。この積層板の熱伝導率は９W／m・Kであり、配線板のそりも大きくなった。
比較例４
実施例６において、窒化ホウ素の添加量を４５部として樹脂絶縁層の熱伝導率を３W／m・Kとする以外は、実施例６と同様にして積層板を得た。この積層板の熱伝導率は９W／m・Kであり、配線板のそりも大きくなった。

配線板にセラミックチップを半田付した状態を示す説明図である。

符号の説明

１は銅箔
２は電気配線
３は樹脂絶縁層
４は半田
５はセラミックチップ

Claims (5)

1. 樹脂絶縁層とその両面に一体化した銅箔ないし銅板で構成される積層板において、
   前記樹脂絶縁層は、熱伝導率が４W／m・K以上であり、樹脂絶縁層の両面に一体化した前記銅箔ないし銅板は、両者の総厚みが６００μｍ以上であって、
   前記樹脂絶縁層は、無機充填材を含有し（式１）で示す分子構造のエポキシ樹脂モノマを配合したエポキシ樹脂組成物の硬化物であり、
   前記無機充填材は、熱伝導率２０W／m・K以上であって、樹脂固形分１００体積部に対し１０〜１００体積部の量で絶縁層中に存在することを特徴とする積層板。
   

   
2. エポキシ樹脂組成物の硬化物がシート状の繊維基材に保持されたものであることを特徴とする請求項１記載の積層板。
3. シート状の繊維基材が、アラミド繊維又はアルミナ繊維で構成されたものであることを特徴とする請求項２記載の積層板。
4. 樹脂絶縁層の厚みが、３００μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の積層板。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の積層板において、片面の銅箔ないし銅板が所定の電気配線に加工されている配線板。

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