JP4663161B2

JP4663161B2 - Metal base circuit board

Info

Publication number: JP4663161B2
Application number: JP2001186112A
Authority: JP
Inventors: 誠福田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: JP2003008160A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高発熱性電子部品を実装することができて電源用途等の大電力用途にも適用可能な混成集積回路に適した、高い放熱性が実現される混成集積回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高発熱性電子部品を実装する回路基板として、熱伝導性の良好な金属ベース回路基板が用いられている。金属ベース回路基板は、アルミニウム等の金属板を基材に用い、該金属板上に数十μｍ程度の厚さの無機フィラー含有樹脂からなる絶縁層を設け、更に前記絶縁層上に回路形成されている構造を有する。金属ベース回路基板は、高い熱伝導性を有するので、発熱量の大きい電子部品を搭載することができるので、大電力用途に好適である。
【０００３】
近年、大電力用途における一層の大電力化、回路基板の高密度化、或いは適用分野の拡大を目的に、より熱放散性の高い金属ベース回路基板が要望されていて、例えば、３００μｍと厚い銅箔を回路導体として用いた金属ベース回路基板が開発されている。
【０００４】
しかし、金属ベース回路基板は、特に前記の厚い銅箔を回路導体として用いている金属ベース回路基板は、電子部品等を実装後に放熱板に取り付けられて使用されるが、電子部品等を実装する際に受ける熱により回路基板が反り、十分な放熱特性を得られないという問題がある。最悪の場合には、実装した半導体素子が発熱し破壊をするという問題が生じることもある。
【０００５】
また、実装した金属ベース回路基板を放熱板へ取り付ける際、ネジ等で密着させる場合もあるが、反りが大きい場合、無理に締め付けると絶縁層にクラックが入り絶縁破壊をするという問題点もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属ベース回路基板の反り量を低減し、放熱特性が高く、信頼性の高い金属ベース回路基板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属板に絶縁接着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、金属板を構成する結晶粒子の長軸方向と、回路を構成する金属の結晶粒子の長軸方向とが、該金属ベース回路基板を上方より眺めたときに垂直であることを特徴とする金属ベース回路基板であり、好ましくは、金属板が、当該金属板を構成する結晶粒子の長軸方向が、圧延方向と平行となるべく圧延されたもの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り、更に好ましくは、回路が、圧延金属箔よりなり、前記回路を構成する結晶粒子の長軸方向が圧延方向と平行となるまで圧延されたもの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。更に、本発明は、回路が、銅層とアルミニウム層との複合層からなり、絶縁層に接する金属層を構成する結晶粒子の長軸方向が、金属板を構成する結晶粒子の長軸方向と垂直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。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明者は、金属ベース回路基板が製造時或いは実使用時における熱履歴を受けて反りが発生したり、酷いときには、絶縁層にダメージが発生して熱放散性が低下したり、電気特性が劣化すること等の異状が発生することを防止するべく、いろいろ検討した結果、金属板を構成する結晶粒子と回路を構成する結晶粒子の相対的な位置関係が特定な条件を満たすときに、回路基板の反りの発生量を小さく制御できるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【０００９】
即ち、本発明の金属ベース回路基板は、金属板を構成する結晶粒子の長軸方向と、回路を構成する金属の結晶粒子の長軸方向とが、該金属ベース回路基板を上方より眺めたときに垂直であることを特徴としている。この様な構成を採用することで、反りの発生を防止、或いは反りが発生したとしても実用的に問題とならない程度にまで小さく制御できる。ここで、金属板を構成する結晶粒子の長軸方向と、回路を構成する金属の結晶粒子の長軸方向とが垂直であるとは、両者の結晶軸の方向が、回路基板を上方より眺めたときに、両者のなす内角が９０度であることを本質とする。尚、前記角度に関して、本発明者の実験的検討結果に拠れば、８０〜１００度の範囲内であれば前記効果をえることができる。
【００１０】
本発明において、金属板としては、ルミニウム、銅、鉄、珪素鋼板、ステンレス等の金属並びにそれらの合金、更に前記金属や合金の複合材が用いることができるが、熱伝導性が高く、安価で、軽量であることから、アルミニウムとその合金が好ましく選択される。また、金属板の厚さについては、一般的に、０．５〜３．０ｍｍである。
【００１１】
本発明において、絶縁層は、絶縁性を有する材質で有ればいずれも採用でき、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂及びポリイミド樹脂等やそれらをガラス布等に含浸させたものや無機フィラーを充填したもの、あるいは前記樹脂を塗布した樹脂層のみで形成したもの、さらに前記樹脂をフィルム状にして接着したもの等が用いられる。しかし、電気絶縁性と共に熱伝導性にも優れている必要があることから、無機質フィラーを含有する樹脂からなることが好ましい。前記の無機質フィラーとしては、酸化アルミニウム、酸化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素等が挙げられ、また、前記樹脂としては、熱硬化性のエポキシ樹脂やポリイミド樹脂が挙げられる。これらの内、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムは充填性に富むものが入手しやすいことから好ましく選択され、金属板にアルミニウム或いはその合金が選択されるときに密着性に優れることからエポキシ樹脂が好ましく選択される。尚、絶縁層中の無機質フィラーの配合量は、一般に５０〜８５体積％であり、その厚さは５０〜２００μｍである。
【００１２】
本発明において、回路を構成する材料としては、アルミニウム、銅等の金属、前記金属の合金、或いは前記金属や合金からなる複合材が挙げられるが、このうち電気伝導性に優れる銅、アルミニウム、それらの合金、並びに前記金属と合金との複合材が好ましく選択される。また、回路表面には、更に、ワイヤーボンディング性や半田性等を改良する目的で、アルミニウム、ニッケル、金−ニッケル等からなる金属層が設けられていても構わない。銅層とアルミニウム層とからなる複合材を用いるときには、エッチング操作のみによって、ワイヤーボンディング性と導電性との両者に優れる回路を得ることができるので、好ましい。
【００１３】
本発明において、金属板が当該金属板を構成する結晶粒子の長軸方向が、圧延方向と平行となるべく圧延されたものであることが好ましい。また、回路を構成する金属についても同様である。また、絶縁層との密着性を上げるために、表面に酸化処理等の化学処理、粗化処理等の機械的処理が施されていても構わない。
【００１４】
金属板や金属箔を得る方法としては電解法を初めとしていろいろの方法が知られているが、所望厚さの金属板や金属箔を安価に得るために圧延法（熱間圧延、冷間圧延）が優れた方法である。そして、圧延法で得られた金属板或いは金属箔を構成する結晶粒子が圧延方向に並ぶことは従来より知られており、従来は金属ベース回路基板への適用に際し特段の理由もなしに方向性を有する金属板或いは金属箔は敬遠されていた事情がある。本発明者は、前記理由に根拠がなく、むしろ積極的に結晶粒子が圧延方向に平行となるものを選択することで、金属ベース回路基板の反りの発生方向を制御することができるという知見を得て本発明に至ったものである。尚、金属板並びに金属箔において、結晶粒子が圧延方向に平行に並んでいることとは、圧延方向と結晶粒子の長軸方向等が内角１０度以内で一致することを示す。
【００１５】
また、本発明者の実験的検討結果に拠れば、回路を構成する金属が金属箔よりなる場合、絶縁層に接する金属層を構成する結晶粒子の長軸方向が、金属板を構成する結晶粒子の長軸方向と垂直であることが好ましい。この構成を採用するとき、複合箔を用いて回路形成する際の、金属ベース回路基板の反りを防止すること、或いは実用的に問題とならない程度以下にまで制御することがより一層容易となるからである。
【００１６】
【実施例】
〔実施例１〕
厚さ３．０ｍｍの圧延されたアルミニウム板上に、酸化アルミニウムを５０体積％含有するビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（油化エポキシ社製エピコート８２８）を絶縁層の厚さが８０μｍになるように塗布し、厚さ１００μｍの銅圧延箔を、金属板と箔との結晶長軸が略垂直となるように加熱下で加圧することで張り合わせ金属ベース基板を作製した。
【００１７】
次ぎに、スクリーン印刷法を用いて所望の位置をマスクした後、所望の位置をマスクして銅箔をエッチングすることで、銅回路を形成し、更に所定の部分をマスクした後、銅回路の一部の上にニッケル層めっきして、金属ベース回路基板を作製した。作製した金属ベース回路基板の反りを表面粗さ計（サーフコーダＳＥ−３０Ｄ：小坂研究所製）にて測定した。その結果を表１に示した。
【００１８】
また、金属ベース回路基板の回路パターン上に、半導体素子、セラミックスチップ抵抗等をハンダ付けして実装し、混成集積回路を形成した。このとき、半導体素子と回路との電気的接続には、φ３００μｍのアルミ線を用いてワイヤーボンディングを行い、モジュールを形成し、これを放熱フィンへネジ止めした。
【００１９】
放熱フィンへネジ止めした状態で金属ベース回路基板のパターンとアルミベース基板間の耐電圧を測定した。この結果を表１に示した。
【００２０】
【表１】

【００２１】
〔実施例２〜４〕
表１に示したとおりに、箔の種類、箔厚、板厚が異なるいろいろな金属ベース回路基板を実施例１と同じ操作で作製し、実施例１と同じ試験を行った。これらの結果を表１に示した。
【００２２】
〔比較例〕
実施例１において、同じ厚みを有する銅回路からなる金属ベース基板で、金属板と箔との結晶長軸方向が垂直でない金属ベース回路基板でモジュールを作成し、評価を行い比較例とした。その結果を表１に示した。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の金属ベース回路基板は、反りが小さく、放熱フィンへネジ止めして用いても、信頼性が高いという特徴を有しており、産業上非常に有用である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hybrid integrated circuit board that can be mounted with a high heat generating electronic component and is suitable for a hybrid integrated circuit that can be applied to high power applications such as a power supply, and realizes high heat dissipation.
[0002]
[Prior art]
A metal base circuit board having a good thermal conductivity is used as a circuit board for mounting a highly heat-generating electronic component. The metal base circuit board is formed by using a metal plate such as aluminum as a base material, providing an insulating layer made of an inorganic filler-containing resin having a thickness of about several tens of μm on the metal plate, and further forming a circuit on the insulating layer. Has a structure. Since the metal base circuit board has high thermal conductivity, an electronic component having a large calorific value can be mounted thereon, which is suitable for high power applications.
[0003]
In recent years, there has been a demand for a metal base circuit board with higher heat dissipation for the purpose of further increasing power in high power applications, increasing the density of circuit boards, or expanding the field of application. Metal-based circuit boards using foil as a circuit conductor have been developed.
[0004]
However, the metal base circuit board, particularly the metal base circuit board using the thick copper foil as the circuit conductor, is used after being mounted on the heat sink after mounting the electronic parts, etc. There is a problem that the circuit board is warped by the heat received, and sufficient heat dissipation characteristics cannot be obtained. In the worst case, there may be a problem that the mounted semiconductor element generates heat and breaks down.
[0005]
Further, when the mounted metal base circuit board is attached to the heat radiating plate, the metal base circuit board may be brought into close contact with a screw or the like.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a metal base circuit board that reduces the amount of warpage of the metal base circuit board, has high heat dissipation characteristics, and high reliability. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a metal base circuit board in which a circuit is provided on a metal plate via an insulating adhesive layer, the major axis direction of the crystal particles constituting the metal plate, and the major axis of the metal crystal particles constituting the circuit The metal base circuit board is characterized in that the direction is vertical when the metal base circuit board is viewed from above, and preferably the metal plate is a major axis direction of crystal grains constituting the metal plate The metal base circuit board is rolled as much as possible in parallel with the rolling direction, and more preferably, the circuit is made of a rolled metal foil, and the length of crystal grains constituting the circuit is The metal base circuit board is rolled until the axial direction is parallel to the rolling direction. Further, according to the present invention, the circuit is composed of a composite layer of a copper layer and an aluminum layer, and the major axis direction of the crystal grains constituting the metal layer in contact with the insulating layer is the major axis direction of the crystal grains constituting the metal plate. The metal-based circuit board as described above, which is vertical.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventors have warped the metal base circuit board due to thermal history during manufacture or actual use, and when it is severe, the insulating layer is damaged and heat dissipation is reduced, and the electrical characteristics are low. As a result of various studies to prevent the occurrence of abnormalities such as deterioration, when the relative positional relationship between the crystal grains constituting the metal plate and the crystal grains constituting the circuit satisfies a specific condition, the circuit The inventors have obtained the knowledge that the amount of warpage of the substrate can be controlled to be small, and have reached the present invention.
[0009]
That is, when the metal base circuit board of the present invention is viewed from above, the major axis direction of the crystal grains constituting the metal plate and the major axis direction of the metal crystal grains constituting the circuit are viewed from above. It is characterized by being perpendicular to. By adopting such a configuration, the occurrence of warpage can be prevented, or even if warpage occurs, it can be controlled to a level that does not cause a practical problem. Here, the major axis direction of the crystal grains constituting the metal plate and the major axis direction of the metal crystal grains constituting the circuit are perpendicular to each other. The inner angle between the two is 90 degrees. It should be noted that the above-described effect can be obtained if the angle is within a range of 80 to 100 degrees according to the results of the experimental study by the present inventor.
[0010]
In the present invention, the metal plate may be a metal such as luminium, copper, iron, silicon steel plate, stainless steel, or an alloy thereof, or a composite material of the metal or alloy, but has high thermal conductivity and is inexpensive. Aluminum and its alloys are preferably selected because of their light weight. The thickness of the metal plate is generally 0.5 to 3.0 mm.
[0011]
In the present invention, any insulating layer can be adopted as long as it is an insulating material, for example, epoxy resin, phenol resin, unsaturated polyester resin, polyimide resin, etc. Those filled with an inorganic filler, those formed only by a resin layer coated with the resin, and those obtained by bonding the resin in the form of a film are used. However, since it is necessary to be excellent in thermal conductivity as well as electrical insulation, it is preferably made of a resin containing an inorganic filler. Examples of the inorganic filler include aluminum oxide, silicon oxide, aluminum nitride, silicon nitride, boron nitride, and the like, and examples of the resin include thermosetting epoxy resins and polyimide resins. Of these, aluminum oxide and aluminum nitride are preferably selected because they are easily available because of their high filling properties, and epoxy resin is preferably selected because of their excellent adhesion when aluminum or an alloy thereof is selected for the metal plate. The In addition, generally the compounding quantity of the inorganic filler in an insulating layer is 50-85 volume%, The thickness is 50-200 micrometers.
[0012]
In the present invention, the material constituting the circuit includes a metal such as aluminum and copper, an alloy of the metal, or a composite material made of the metal or alloy. Of these, copper, aluminum, and those excellent in electrical conductivity. And a composite of the metal and the alloy are preferably selected. Further, a metal layer made of aluminum, nickel, gold-nickel, or the like may be provided on the circuit surface for the purpose of improving wire bonding property, solderability, and the like. When a composite material composed of a copper layer and an aluminum layer is used, it is preferable because a circuit excellent in both wire bonding and conductivity can be obtained only by an etching operation.
[0013]
In the present invention, the metal plate is preferably rolled so that the major axis direction of crystal grains constituting the metal plate is parallel to the rolling direction. The same applies to the metal constituting the circuit. Further, in order to improve the adhesion with the insulating layer, the surface may be subjected to chemical treatment such as oxidation treatment or mechanical treatment such as roughening treatment.
[0014]
Various methods are known for obtaining metal plates and foils, including electrolysis, but rolling methods (hot rolling, cold rolling) to obtain metal plates and metal foils of the desired thickness at low cost. ) Is an excellent method. And it has been known that the crystal grains constituting the metal plate or metal foil obtained by the rolling method are aligned in the rolling direction. Conventionally, there is no particular reason for application to a metal base circuit board. There is a circumstance that the metal plate or the metal foil having refrain from being avoided. The present inventor found that the above-mentioned reason is not grounded, and that the generation direction of the warp of the metal base circuit board can be controlled by positively selecting the crystal grains that are parallel to the rolling direction. The present invention has been obtained. In the metal plate and the metal foil, the fact that the crystal particles are arranged in parallel with the rolling direction indicates that the rolling direction and the major axis direction of the crystal particles coincide with each other within an internal angle of 10 degrees.
[0015]
Further, according to the results of the experimental study by the present inventor, when the metal constituting the circuit is a metal foil, the major axis direction of the crystal grains constituting the metal layer in contact with the insulating layer is the crystal grains constituting the metal plate. It is preferable to be perpendicular to the major axis direction. When adopting this configuration, it becomes even easier to prevent warping of the metal base circuit board when forming a circuit using the composite foil, or to control to a level that does not cause a practical problem. It is.
[0016]
【Example】
[Example 1]
On a rolled aluminum plate having a thickness of 3.0 mm, bisphenol A type epoxy resin (Epicoat 828 manufactured by Yuka Epoxy Co., Ltd.) containing 50% by volume of aluminum oxide was applied so that the insulating layer had a thickness of 80 μm. A laminated metal base substrate was produced by pressing a rolled copper foil having a thickness of 100 μm under heating so that the crystal major axis of the metal plate and the foil was substantially vertical.
[0017]
Next, after masking a desired position using a screen printing method, a copper circuit is formed by masking the desired position and etching the copper foil, and further masking a predetermined portion. A metal base circuit board was produced by plating a nickel layer on a part. The warpage of the produced metal base circuit board was measured with a surface roughness meter (Surfcoder SE-30D: manufactured by Kosaka Laboratory). The results are shown in Table 1.
[0018]
Further, a semiconductor element, a ceramic chip resistor, and the like were soldered and mounted on the circuit pattern of the metal base circuit board to form a hybrid integrated circuit. At this time, for electrical connection between the semiconductor element and the circuit, wire bonding was performed using an aluminum wire of φ300 μm to form a module, which was screwed to the heat radiating fin.
[0019]
The withstand voltage between the pattern of the metal base circuit board and the aluminum base board was measured in the state where it was screwed to the radiation fin. The results are shown in Table 1.
[0020]
[Table 1]

[0021]
[Examples 2 to 4]
As shown in Table 1, various metal base circuit boards having different foil types, foil thicknesses, and plate thicknesses were produced by the same operation as in Example 1, and the same test as in Example 1 was performed. These results are shown in Table 1.
[0022]
[Comparative example]
In Example 1, a module was created with a metal base substrate made of a copper circuit having the same thickness and the crystal major axis direction of the metal plate and foil was not vertical, and the module was evaluated and used as a comparative example. The results are shown in Table 1.
[0023]
【The invention's effect】
The metal base circuit board according to the present invention has a feature that the warpage is small and the reliability is high even if it is screwed to the heat radiating fin, and is very useful in industry.

Claims

A metal base circuit board in which a circuit is provided on a metal plate via an insulating adhesive layer, wherein the major axis direction of crystal grains constituting the metal plate and the major axis direction of metal crystal grains constituting the circuit are: A metal base circuit board, wherein the metal base circuit board is vertical when viewed from above.

2. The metal base circuit board according to claim 1, wherein the metal plate is rolled so that the major axis direction of crystal grains constituting the metal plate is parallel to the rolling direction.

The metal according to claim 1 or 2, wherein the circuit is made of a rolled metal foil and rolled until the major axis direction of the crystal grains constituting the circuit is parallel to the rolling direction. Base circuit board.

The circuit is composed of a composite layer of a copper layer and an aluminum layer, and the major axis direction of the crystal grains constituting the metal layer in contact with the insulating layer is perpendicular to the major axis direction of the crystal grains constituting the metal plate The metal base circuit board according to claim 1, 2 or 3.