JP4249371B2 - 金属ベース回路基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機器をはじめとする各種の電気機器、特に自動車や移動通信等の移動機器に好ましく用いられる半導体搭載用の金属ベース回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いろいろな電気機器用途で、半導体素子等の電子部品を搭載した回路基板が用いられているが、安価で熱放散性に優れていることから、金属板上に、無機物を含有した樹脂からなる絶縁剤層を介して、金属箔から形成された回路を設けた金属ベース回路基板が用いられている。
【０００３】
金属ベース回路基板は、前記構造を有するがゆえに、耐湿性、熱伝導特性、耐電圧特性といった絶縁剤層の特性が金属ベース回路基板の特性を制約している。そこで、金属ベース回路基板の特性改善において、絶縁剤層の特性改善が産業上の極めて重要な検討項目となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、自動車等に用いられている半導体搭載用回路基板は、近年、半導体部品や電気部品、更に回路部分についても高密度化、高実装化の要求が益々高まっている。そして、これらの回路基板上にダイオード、トランジスターおよびＩＣなどの部品を実装したモジュールでは、前記部品並びに回路自身から発生した熱を放散するために、より一層放熱特性に優れる、高い電気的信頼性を有する回路基板が要請されている。
【０００５】
従来、金属ベース回路基板の絶縁剤には、無機フィラーとしてアルミナが用いられていた。アルミナは、熱伝導率が低いため、必ずしも満足できる程に高い熱伝導率を有する金属ベース回路基板を得ることができなかった。
【０００６】
一方、窒化アルミニウムは、高い熱伝導率を有して、前記無機フィラーとして有望視される材料ではあるが、容易に加水分解するため、金属ベース回路基板に用いるには信頼性に大きな問題があった。
【０００７】
本発明者は、上記問題を解決するべく、いろいろ実験を重ねた結果、無機フィラーとして窒化アルミニウム焼結体を粉砕して得られる窒化アルミニウム粉末を用いるときに、高温耐湿性のみならず耐電圧特性や熱放散性にも優れる金属ベース回路基板が得られるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、金属板上に、無機フィラーを含有する樹脂からなる絶縁層を介して、回路を設けてなる金属ベース回路基板であって、前記無機フィラーとして窒化アルミニウム焼結体を粉砕してなる窒化アルミニウム粉末を用いることを特徴する金属ベース回路基板であり、好ましくは、前記窒化アルミニウム焼結体が窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加し焼結させたことを特徴とする前記の金属ベース回路基板である。
【０００９】
又、本発明は、２ａｔｍの水蒸気（１２１℃）に２４Ｈｒ曝す高温耐湿性試験前後の質量変化が、１．２％以下であることを特徴とする前記の金属ベース回路基板である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に於いて、絶縁剤中の無機フィラーとして、窒化アルミニウム焼結体を粉砕して得られる窒化アルミニウム粉末を用いていることを特徴としている。即ち、従来公知の窒化アルミニウム粉を用いた場合には、湿度や水分により加水分解し、得られる金属ベース回路基板の長期信頼性が低下するという問題があったが、窒化アルミニウム粉に焼結助剤を加えて相対密度が９０％以上にまで緻密な焼結体を得て、前記焼結体を粉砕して得られる窒化アルミニウム粉末を用いることで、耐加水分解性、高温耐湿性に優れ、更に驚くべきことに、従来公知の金属ベース回路基板と同等以上の耐電圧特性と熱放散性を有する金属ベース回路基板を得ることができるという効果が得られる。
【００１１】
本発明に用いる窒化アルミニウム焼結体は、従来公知の窒化アルミニウム粉末をホットプレスや、非酸化雰囲気下での焼結等の従来公知の焼結法で得られたものであれば構わないが、相対密度が９０％以上にまで緻密化した焼結体であることが好ましい。この理由は不明であるが、本発明者は、高密度にまで緻密化した焼結体における窒化アルミニウム粒子は熱履歴を受けて、化学的に不活性となり、その結果耐湿性が高まるためと推察している。
【００１２】
前記窒化アルミニウム焼結体は焼結助剤を含有しているが好ましい。窒化アルミニウムは難焼結性物質であり、焼結助剤の存在なしでは容易に緻密化しないが、焼結助剤存在により焼結操作時に比較的低融点の液相が形成され、容易に緻密な焼結体が得やすくなるし、焼結体を粉砕して得られる窒化アルミニウム粉末中の窒化アルミニウム粒子表面に、前記焼結助剤或いはその化合物相が存在しやすくなり、その結果得られる金属ベース回路基板の耐湿性を一層高める効果がある。
【００１３】
前記焼結助剤としては、酸化イットリウム或いは焼結操作を経て酸化イットリウムとなるイットリウム化合物（以下、単に酸化イットリウムという）が好ましい。前記酸化イットリウムは、窒化アルミニウムに対して３〜１０質量％添加し、焼結することによって、ほとんど気孔のない窒化アルミニウム焼結体が容易に得られるし、得られた窒化アルミニウム焼結体の中では窒化アルミニウム粒子表面を覆うように耐湿性に優れる結合相（例えば、 Ｙ₂Ｏ₃のほかＹ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃、 Ｙ₂Ｏ₃・２Ａｌ₂Ｏ₃、 Ｙ₂Ｏ₃・３Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる）を形成しているので、窒化アルミニウム粉末を作製したときに、前記窒化アルミニウム粉末を構成する窒化アルミニウム粒子表面に耐湿性物質が存在し、前記効果が一層好ましく発揮される。
【００１４】
窒化アルミニウム焼結体から窒化アルミニウム粉末を得る方法については、従来公知の粉砕法を適用すれば良いが、窒化アルミニウムが空中の酸素とメカノケミカル反応を生じないように非酸化雰囲気下、或いは有機溶媒に分散した状態下で粉砕することが望ましい。
【００１５】
前記操作で得られる窒化アルミニウム粉末の粒度については、最大粒子が１００μｍ以下となれば良いが、あまりにも細かい粒度分布のものは樹脂に充填する際の充填度が悪くなる。平均粒子径としては、０．５〜６０μｍであることが好ましく、特に３０〜５０μｍであることが一層好ましい 。
【００１６】
窒化アルミニウム粉末の樹脂への充填割合については、本発明者の実験的検討結果に基づけば、窒化アルミニウム粉末と樹脂との合計量全体に関して、窒化アルミニウム粉末が５５体積％以上であることが好ましい。充填割合が５５体積％未満では、絶縁剤の熱放散性を高くすることができず、仮に１００μｍ以下の薄い絶縁剤層を得ることができても、絶縁剤層自体の熱伝導率が低下してしまうので、結果的に熱抵抗が上がってしまう。
【００１７】
絶縁剤を構成する樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等およびこれらの混合物等が挙げられる。このうち、金属板や金属箔と接着力が強く、窒化アルミニウムとも親和性の高いエポキシ樹脂が好ましく用いられる。また、前記絶縁剤には、必要に応じて、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤等の表面改質剤、更に安定剤および硬化促進剤等を用いることができる。
【００１８】
本発明に用いられる金属板としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄およびステンレス等が使用可能であるが、このうち比較的安価でしかも軽量で作業性や移動性機器用に好適であるという理由から、アルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい。また、金属板の厚みとしては、特に制限はないが０．５〜３．０ｍｍが一般に用いられる。
【００１９】
本発明の金属ベース回路基板を作製する方法については、まず、金属板上に前記窒化アルミニウム粉末を充填した樹脂を、塗布し、硬化させて絶縁剤層とする。このとき、絶縁剤層は単一層もしくは複数層にする。その後、銅、アルミニウムあるいは銅−アルミニウム複合箔等の金属箔をロールラミネート法もしくは積層プレス法を用いて接合することが、耐電圧を始めとする金属ベース回路基板の電気的特性を高める上で、好ましい。また、金属箔のエッチングに関しては従来公知の方法を適用すれば良い。
【００２０】
本発明の金属ベース回路基板は、理由は不明であるが、従来公知のものに比べて熱抵抗値が非常に小さく、極めて熱放散性に優れるという特徴を有するばかりでなく、耐湿性に優れる窒化アルミニウム焼結体より得た窒化アルミニウム粉末を絶縁剤の無機フィラーに用いているので、２ａｔｍの水蒸気（１２１℃）に２４Ｈｒ曝したときのその前後の質量変化が１．２質量％以下と低く、その結果として、耐電圧、ピール強度の劣化も小さいという優れた特徴を有する。
【００２１】
【実施例】
金属アルミニウムを窒素雰囲気下で加熱し合成した（即ち、直接窒化法で作製した）窒化アルミニウム粉末に、市販の酸化イットリウムを５質量％添加し混合して原料粉末とした後、前記原料粉末をプレス成形して、窒素雰囲気中で１９５０℃に加熱して焼結させ、相対密度９８％の窒化アルミニウム焼結体を得た。
【００２２】
前記窒化アルミニウム焼結体を粗砕後、窒素封入したボールミル中で粉砕し、篩い分けして、最大粒子径が４４μｍ以下の窒化アルミニウム粉末を得た。この粉末についてレーザー回折式粒度分布装置（島津製作所（株）、ＳＡＬＤ−２０００）で平均粒度を測定したところ、１４μｍであった。また、Ｘ線回折法によれば、窒化アルミニウム、酸化イットリウム以外に、Ｙ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃、 Ｙ₂Ｏ₃・２Ａｌ₂Ｏ₃が認められた。
【００２３】
前記窒化アルミニウム粉末を充填率５９体積％となるようにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に加え、加熱しながら、混練して、絶縁接着剤を作製した。
【００２４】
厚み１．５ｍｍのアルミニウム板上に、前記絶縁接着剤を硬化後の厚さが１００μｍとなるように塗布し、乾燥してＢステージ状態とし、その後厚さ１０μｍの銅箔と厚さ４０μｍのアルミニウム箔とからなる複合箔を、銅箔が絶縁接着剤に接するように積層プレス法にて積層し、絶縁接着剤を加熱、硬化させて金属ベース基板を得た。
【００２５】
前記の金属ベース基板について、所望の位置にエッチングレジストを印刷し、まず水酸化ナトリウム水溶液をエッチング液として、金属箔の所望部分のアルミニウムをエッチングした後、前記エッチングレジストを除去し、次に所望の位置をエッチングレジストでマスクして硫酸−過酸化水素混合溶液をエッチング液として銅をエッチングした後、エッチングレジストを除去し洗浄乾燥することで、回路を形成し、金属ベース回路基板とした。
【００２６】
前記操作で得られた金属ベース基板或いは金属ベース回路基板について、熱抵抗、高温耐湿試験（２ａｔｍの水蒸気（１２１℃）に５０Ｈｒ暴露）前後の耐電圧とピール強度を測定した。また、高温耐湿試験（２ａｔｍの水蒸気（１２１℃）に２４Ｈｒ暴露）前後の質量変化を調べた。
【００２７】
耐電圧の測定は、ＪＩＳ Ｃ２１１０に基づき（菊水電子工業（株）製「ＴＯＳ−８７００形」）測定した。ピール強度の測定は、ＪＩＳ Ｃ−６４８１に基づき、テンシロン（東洋ボールドウィン（株）「Ｕ−１１６０」）を用いて測定した。また、熱抵抗の測定は、金属ベース基板を３.０×４.０ｃｍの大きさに切断し、エッチングにより１.０×１.５ｍｍの銅パターンを形成した。この銅箔上にＴＯ−２２０型トランジスターを半田付けし、水冷した放熱フィン上に放熱グリースを介して固定した。トランジスターに通電し、トランジスターを発熱させ、トランジスター表面と金属板裏面の温度差を測定し、熱抵抗を算出した。金属ベース基板或いは金属ベース回路基板の主要な作製条件と測定結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
〔比較例〕
実施例における無機フィラーを市販の窒化アルミニウム粉末に変更したこと以外は、実施例と同じ操作で金属ベース基板、金属ベース回路基板を作製し、実施例と同じ評価を行った。この結果を表１に併せて示した。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の金属ベース回路基板は、窒化アルミニウム焼結体から得られた窒化アルミニウム粉末を用いることで、高温耐湿性試験前後の質量変化が１．２％以下と極めて耐湿性に優れて、しかも従来公知の金属ベース回路基板と同等若しくはそれ以上の耐電圧特性と熱放散性を有するという特徴があり、産業上極めて有用である。

Claims (5)

1. 金属板上に、無機フィラーを含有する樹脂からなる絶縁層を介して、回路を設けてなる金属ベース回路基板であって、
   前記無機フィラーとして相対密度が９０％以上である窒化アルミニウム焼結体を粉砕してなる窒化アルミニウム粉末を用いることを特徴とする金属ベース回路基板。
2. 前記窒化アルミニウム焼結体が窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加し焼結させたことを特徴とする請求項１記載の金属ベース回路基板。
3. 高温耐湿性試験前後の質量変化が、１．２％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の金属ベース回路基板。
4. 前記焼結助剤として、窒化アルミニウムに対して３〜１０質量％の酸化イットリウムを添加することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の金属ベース回路基板。
5. 前記窒化アルミニウム粉末と前記樹脂との合計量に対して、前記窒化アルミニウム粉末が５５体積％以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか記載の金属ベース回路基板。