JP6353645B2

JP6353645B2 - アルミベース回路基板

Info

Publication number: JP6353645B2
Application number: JP2013225614A
Authority: JP
Inventors: 達也斉藤; 茂夫桑原; 和彦許斐
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: JP2015088612A

Description

本発明は、パワーモジュール用などのアルミベース回路基板に関する。

従来より、金属基板の一側面に積層した絶縁層を介して配線パターンを形成した金属ベース回路基板が知られている。金属基板としては、アルミ製又はアルミ合金製のアルミ基板が使用されている。絶縁層に使用される樹脂は耐熱性の樹脂としてエポキシ樹脂をベースにしたものが用いられていた。

エポキシ樹脂をベースにした絶縁層は、積層時の成形温度が２５０℃以下であったため、アルミ基板の焼鈍は考慮されず、積層後のアルミ基板の平面度等についても問題が無かった。

しかし、ＬＥＤ照明用のパワーモジュールなどの用途では、より高い放熱性が要求されるため、熱伝導率がより高いアルミ基板が望ましく、また、絶縁層に使用される樹脂も、より耐熱性の高いものが要求されるようになってきた。

しかし、単純により耐熱性の高い樹脂を使用したとき、積層形成後にアルミ基板の平面度や機械加工性が低下するという問題を招いた。

このため、集合体として形成されたアルミベース回路基板の平面度が低下し、さらにはプレスにより打ち抜いて単体とするときや、プレス打抜き加工や、ドリル穴明け加工においてアルミ基板が変形し、平面度がさらに悪化した。

ひいては、ヒート・シンク等の組み付け性が低下し、パワーモジュールなどの用途として高い温度環境下での使用による早期の耐久性低下を招いた
そこで本願出願人等が原因を追及したところ、絶縁層をアルミ基板に積層するための成形温度がアルミ基板の焼鈍温度を越えてしまい、アルミ基板が柔らかくなっていたことが判明した。

特公平８−４１９０号公報

解決しようとする問題点は、パワーモジュールなど高放熱が要求される用途のために耐熱性の高い樹脂を使用してアルミ基板に絶縁層を積層形成すると、絶縁層をアルミ基板に積層するための成形温度がアルミ基板の焼鈍温度を越えてしまい、アルミ基板が柔らかくなって平面度を維持できず、組み付け性が低下し、さらには、パワーモジュールなどの用途として高い温度環境下での使用による早期の耐久性低下を招くことになる点である。

本発明は、パワーモジュールなど高放熱が要求される用途のために耐熱性の高い樹脂を使用したとき積層するための成形温度が２５０℃を越えても、平面度維持及び使用による耐久性維持等を可能とするために、アルミ基板の一側面に積層した絶縁層を介して配線パターンを形成するアルミベース回路基板であって、前記絶縁層は、２５０℃を上回る温度範囲に前記積層を行うための成形温度を持つ高耐熱性の樹脂で形成し、前記アルミ基板は、前記成形温度を上回る温度範囲に焼鈍温度を持ちＡｌを主体とするアルミ合金で形成し、前記アルミ基板は、前記絶縁層の積層結合を促進するための皮膜処理を前記絶縁層及びアルミ基板間で表面に施し、前記絶縁層は一側面の全体に積層され、前記アルミ基板は、前記絶縁層を介し配線パターンを形成した状態で機械加工を受けても０．１５〜０．２ｍｍの範囲の基板平面度を維持したことを特徴とする。

本発明のアルミベース回路基板は、上記構成であるから、高耐熱性の樹脂による絶縁層とアルミ基板とを、２５０℃を上回る成形温度で積層形成しても、アルミ基板は、成形温度を上回る範囲に焼鈍温度を持つため、アルミ基板の硬さの変化を抑制することができる。

このため、積層形成後のプレス打ち抜き加工や、ドリル穴明け加工においても平面度を維持可能となり、ヒート・シンク等の組み付け性を向上させ、さらには、パワーモジュールなどの用途として高い温度環境下での使用でも耐久性を維持させることができる。

アルミベース回路基板の断面図である。（実施例１）アルミ基板の組成及び特性の比較を示す図表である。（実施例１）基板に熱履歴を与えたことによる硬さの変化を示す図表である。（実施例１）基板に熱履歴を与えたことによる硬さの変化を示すグラフである。（実施例１）穴加工をしたアルミベース回路基板サンプルの裏面図である。（実施例１）アルミベース回路基板サンプルの平面度試験の状況を示す側面図である。（実施例１）アルミベース回路基板サンプルのダレ性を示す要部拡大断面図である。（実施例１）アルミベース回路基板の断面図である。（実施例１）アルミベース回路基板の断面図である。（実施例１）アルミベース回路基板の断面図である。（実施例１）

パワーモジュールなど高放熱が要求される用途のために耐熱性の高い樹脂を使用したとき積層するための成形温度が２５０℃を越えても、平面度維持及び使用による耐久性維持等を可能にするという目的を、絶縁層は、２５０°を上回る温度範囲に前記積層を行う成形温度を持つ高耐熱性の樹脂で形成し、アルミ基板は、成形温度を上回る範囲に焼鈍温度を持つＡｌを主体とするアルミ合金で形成したことにより実現した。

図１は、アルミベース回路基板の断面図である。

図1のように、アルミベース回路基板１は、アルミ合金製であるアルミ基板３の一側面３ａに絶縁層５を介して銅箔による配線パターン７が形成されたものである。このアルミベース回路基板１は、例えば、複数個が一体に形成された集合体として製造され、プレス切断加工により集合体から各アルミベース回路基板１が切り離されたものである。

アルミベース回路基板１は、図示しないケース内で、一側面３ａからプレス切断部１ａに掛けて絶縁性樹脂が充填され、樹脂封止される。なお、図示はしていないが、配線パターン７の所定箇所には、回路素子が取り付けられ、絶縁性樹脂内に共に樹脂封止される。

かかるアルミベース回路基板１のアルミ基板３の板厚は、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下、絶縁層５の厚みは、１０〜２００ μｍに設定されている。

前記絶縁層５は、高耐熱性の樹脂で形成され、アルミ基板３は、高い温度まで硬さの変化が抑制されたものであり、Ａｌを主体としたアルミ合金、例えばＭｎ、Ｍｇ、Ｃｒを含有させたアルミ合金で形成されている。

さらに述べると、絶縁層５は、２５０°を上回る温度範囲に積層を行う成形温度を持つ高耐熱性の樹脂で形成されている。本実施例では、成形温度が２６０℃〜４００℃の高耐熱性樹脂として、ポリアミドイミド樹脂を用いた。その他、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、フッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂の何れかで形成してもよく、必要に応じて熱伝導率２０Ｗ／ｍＫ以上の絶縁性の無機充填剤が分散されてなる組成物を用いてもよい。

アルミ基板３は、前記成形温度を上回る範囲に焼鈍温度を持つＡｌを主体とするアルミ合金で形成した。さらに述べると、高放熱、高耐熱性のため、アルミ基板３のアルミ合金は、Ｍｎ＝０．０５〜１．０重量％、Ｍｇ＝３．５〜５．６重量％、Ｃｒ＝０．０５〜０．２５重量％を含有する。含有率は上記範囲内で必要に応じて変更することができる。アルミ基板３の焼鈍温度は、４００℃を上回り、熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫを超えるものである。

図２は、アルミ基板の組成及び特性の比較を示す図表、図３は、基板に熱履歴を与えたことによる硬さの変化を示す図表、図４は、基板に熱履歴を与えたことによる硬さの変化を示すグラフである。

図２のように、実施例１のアルミ基板３の組成としてはＣＤＡ合金番号でＡ５０８３、質別Ｏを採用した。アルミ基板３は、上記Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒの他、Ｆｅ＜０．４、Ｃｕ＜０．１、Ｚｎ＜０．２５、Ｔｉ＜０．１５を含み、残部がＡｌである。

比較例１〜４も、Ａｌを主体としたアルミ基板であり、比較例１はＣＤＡ合金番号でＡ１１００、質別Ｈ１４、比較例２、３は、Ａ５０５２、質別Ｈ３４、比較例４は、Ａ６０６３、質別Ｔ３である。

比較例１は、Ａｌ＞９９．００重量％、Ｓｉ＜０．９５重量％、Ｃｕ＝０．０５〜０．２重量％、Ｍｎ＜０．０５重量％、Ｚｎ＜０．１重量％を含有する。

比較例２，３は、Ｓｉ＜０．２５重量％、Ｆｅ＜０．４重量％、Ｃｕ＜０．１重量％、Ｍｎ＜０．１重量％、Ｍｇ＝２．２〜２．８重量％、Ｃｒ＝０．１５〜０．３５重量％、Ｚｎ＜０．１重量％を含み、残部がＡｌである。

比較例４は、Ｓｉ＝０．２〜０．６重量％、Ｆｅ＜０．３５重量％、Ｃｕ＜０．１重量％、Ｍｎ＜０．１重量％、Ｍｇ＝０．４５〜０．９重量％、Ｃｒ＜０．１重量％、Ｚｎ＜０．１重量％、Ｔｉ＜０．１重量％を含み、残部がＡｌである。

データ項目は、基材板厚、ビッカース硬さ（初期値）、積層処理条件、ビッカース硬さ（積層後）、基板平面度、基板平面度判定とした。

基材板厚は、アルミ基板３の厚み、硬さ（初期値）は積層処理前の硬さ、積層処理条件は、アルミ基板３に、絶縁層５を加熱積層形成するときの熱処理条件、すなわち成形温度及び処理時間である。基板平面度の試験方法は後述する。

ビッカース硬さ（積層後）は、アルミ基板３に絶縁層５を加熱で積層して積層板を形成した後のアルミ基板３のビッカース硬さ、基板平面度は、積層後のアルミ基板３の一側面３ａ及び他側面３ｂの平面度である。基板平面度判定は、サンプリングした複数の積層板の平面度のばらつきを判定した。

ここで、積層板とは、配線パターン７が形成される前のアルミ基板３と絶縁層５との積層構造である。

図２の比較例１、２、４は、実施例1と同様の高耐熱性の樹脂でアルミ基板に絶縁層を加熱積層形成した。すなわち、絶縁層には、ポリアミドイミド樹脂を用いて積層板を形成した。

比較例１、２、４は、熱処理条件が高く、３５０℃/３０ｍｉｎの加熱であり、図２、図３のように２００℃を上回る範囲でアルミ基板の焼鈍が起こり、積層のための成形温度がアルミ基板の焼鈍温度を超えた。

このため、加熱前後の硬さは比較例１（Ｈｖ４５：Ｈｖ２９）、比較例２（Ｈｖ７７：Ｈｖ５６）、比較例４（Ｈｖ５２：Ｈｖ３７）共に大幅に異なり、加熱後に硬さを維持できず、加工後の基板平面度が低下し、基板サイズ１５０×１５０で基板平面度が０．３〜０．４ｍｍとなり、平面度判定はＮＧとなった（×）。

比較例３は、比較例２と同一組成のアルミ基板を用い、２６０℃未満の１８０℃／３ｈｒの加熱でアルミ基板にエポキシ樹脂に絶縁性の無機充填剤を分散させた組成物の絶縁層を加熱積層形成したものである。比較例３は、熱処理条件が低くアルミ基板の焼鈍は起こらなかった。このため、加工後の基板平面度は低下せず、同基板平面度が０．１５〜０．２ｍｍとなり、平面度判定はＯＫとなった（○）。但し、絶縁層は実施例1に比較して高耐熱ではなく、所期の要求を満足することはできない。

これに対し、図２の実施例１は、上記高耐熱性の樹脂でアルミ基板に絶縁層を加熱積層形成したものであり、熱処理条件は高いが、成形温度２６０℃〜４００℃がアルミ基板の焼鈍温度を超えることは無く、焼鈍は起らなかった。

このため、加熱前後の硬さが殆ど変化せず、引張強度は２５０Ｎ／ｍｍ^２となった。実施例１の積層板は、加熱後にも硬さを維持することができ、同基板平面度が０．１５〜０．２ｍｍとなり、加工後の平面度を維持できた（○）。

このように、比較例１、２、４の積層板は、何れも平面度が低いという結果になった。これに対し、実施例１の積層板は、平面度判定において高い性能を確保できた。

さらに、本実施例１では、アルミベース回路基板１を樹脂封止するときにも、絶縁性樹脂の充填を無理なく正確に行わせると共に、封止材の硬化するときの収縮によるソリを抑制するなど製品形状や寸法、外観品質も維持することができる。

アルミ基板３の他側面３ｂにヒート・シンクを取り付けるときにも平面度の維持で密着性が良く、アルミ基板３そのものの高放熱性と併せて、さらに放熱性を向上させることができる。

積層形成に際しては、例えば、前記実施例１のアルミ合金で形成したアルミ基板３の表面を皮膜処理（例えば、アルマイト処理や化成処理等）したものを用い、前記高耐熱性樹脂を２６０℃〜４００℃で加熱して積層板を形成した。

アルミ合金製のアルミ基板は、表面粗化だけでは絶縁層５に必要な接着強度が得られず、皮膜処理を施すことにより、アルミ基板３に対する絶縁層５の結合を強固に行わせることができる。

２６０℃〜４００℃の加熱による積層形成後でもアルミ基板３の平面度を維持できるため、かかる点からも絶縁層５及びアルミ基板３間の剥がれをより一層抑制することができる。

しかも、アルミ合金製のアルミ基板３であるから熱伝導性に優れ、放熱性を高めることができ、且つ絶縁層５の耐熱性も高く、パワーモジュールなどの高放熱が要求される用途に適したアルミベース回路基板１を得ることができる。

基板平面度の試験方法について説明する。

図５は、穴加工をしたアルミベース回路基板サンプルの裏面図、図６は、アルミベース回路基板サンプルの平面度試験の状況を示す側面図、図７は、アルミベース回路基板サンプルのダレ性を示す要部拡大断面図である。

図５〜図７において、アルミベース回路基板サンプルについても、図１と同符号を用いる。

図５のようにアルミベース回路基板サンプル１は、アルミ基板３側から規定のサイズにプレスで打抜き、さらに、アルミ基板３側から２箇所プレスにて穴８の加工を行った。このアルミベース回路基板サンプル１について評価した。

本実施例における平面度とは、図６のように定盤１０の上に加工したアルミベース回路基板サンプル１を配線パターン７（回路Ｃｕ箔）が接するように載せ、アルミ基板３表面（上面）の任意の場所で厚み方向の高さ基準点（０点）を設定し、サンプル１の中心と周辺から２ｍｍはなれた図５中の黒点（９点）の位置の高さについて、基準点（０点）との差を測定した。アルミ基板３側が定盤１０上に接するようにサンプル１を載せた場合についても同様に測定した。

一側面３ａの測定点９点の最大と最小との差Ｘ（μｍ）と、他側面３ｂの同最大と最小との差Ｙ（μｍ）との各大きな方の値を平面度とした。

また、平面度のばらつきは、９点の標準偏差である。

硬さは、厚み２ｍｍの基板に使用するアルミ板又は作製した基板のアルミ板について、切断した断面の厚み方向の中心部において下記の測定機により測定した。

測定機：フィーチャーテック製・マイクロビッカース硬さ試験機ＦＭ７００、測定荷重２００ｇ
その他、ダレ性、高温耐久性についても試験した。

ダレ性とは、配線パターン７（回路Ｃｕ箔）が定盤１０に接するようにアルミベース回路基板サンプル１を載せ、プレス打抜きの切断エッジ部が内側の平坦な基準面の延長より沈み込んだ量をダレ（図７）とした。ダレが０．１５ｍｍ未満を○とし、０．１５ｍｍ以上を×とした。

比較例１、２、４は、何れもダレ性においてＮＧ（×）であり、実施例１は、ＯＫ（○）であった。

高温耐久性試験は、アルミ基板３にφ１１ｍｍの穴を開け、ＳＵＳ３０４製Ｍ１０ボルトとナットとで締め付け、（２６０℃⇔室温）を繰返したときに緩みのないこととした。

比較例１、２、４は、何れも高温耐久性においてＮＧであり、実施例１は、ＯＫであった。

こうして、本発明実施例１では、絶縁層５は、２５０℃を上回る温度範囲２６０℃〜４００℃に前記積層を行うための成形温度を持つ高耐熱性の樹脂で形成したから、ＬＥＤ照明用のパワーモジュールなどの用途において耐熱性を維持することができる。

しかも、アルミ基板３は、前記成形温度を上回る４００℃を超える温度範囲に焼鈍温度を持ちＡｌを主体とするアルミ合金で形成したから、アルミ基板３の硬さの変化を抑制することができる。

図８〜図１０は、変形例にかかるアルミベース回路基板の断面図である。なお、図１と同一構成部分には同符号を付す。

図８のアルミベース回路基板１Ａは、アルミ基板３の両面に絶縁層５を介して配線パターン７を形成した。

図９のアルミベース回路基板１Ｂは、２層基板（貼り合わせ仕様）である。アルミベース回路基板１Ｂは、絶縁層５上に接着層９を介して他の基板１１が積層されたものである。基板１１は、ガラスクロスエポキシ樹脂層１３の表裏に銅箔の配線パターン１５を形成したものである。配線パターン１５の一部は、スルーホールによりガラスクロスエポキシ樹脂層１３の表裏で導通している。

図１０のアルミベース回路基板１Ｃは、２層基板（ビルドアップ仕様）である。アルミベース回路基板１Ｃは、絶縁層５上に配線パターン７を覆う絶縁層１７を介して配線パターン１９を形成し、配線パターン１９は、スルーホールによって配線パターン７側に接続されている。

かかる図８〜図１０の変形例にかかるアルミベース回路基板１Ａ、１Ｂ、１Ｃにおいても、上記実施例の効果と同様の効果を奏することができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃアルミベース回路基板
１ａプレス切断部
３アルミ基板
５絶縁層
７配線パターン

Claims

アルミ基板の一側面に積層した絶縁層を介して配線パターンを形成するアルミベース回路基板であって、
前記絶縁層は、２５０℃を上回る温度範囲に前記積層を行うための成形温度を持つ高耐熱性の樹脂で形成し、
前記アルミ基板は、前記成形温度を上回る温度範囲に焼鈍温度を持ちＡｌを主体とするアルミ合金で形成し、
前記アルミ基板は、前記絶縁層の積層結合を促進するための皮膜処理を前記絶縁層及びアルミ基板間で表面に施し、
前記絶縁層は一側面の全体に積層され、
前記アルミ基板は、前記絶縁層を介し配線パターンを形成した状態で機械加工を受けても０．１５〜０．２ｍｍの範囲の基板平面度を維持した、
ことを特徴とするアルミベース回路基板。
請求項１記載のアルミベース回路基板であって、
前記アルミ基板は、前記皮膜処理を施す表面が表面粗化されている、
ことを特徴とするアルミベース回路基板。
請求項１又は２記載のアルミベース回路基板であって、
前記アルミ合金は、Ｍｎ＝０．０５〜１．０重量％、Ｍｇ＝３．５〜５．６重量％、Ｃｒ＝０．０５〜０．２５重量％を含有する、
ことを特徴とするアルミベース回路基板。
請求項１〜３の何れか１項記載のアルミベース回路基板であって、
前記絶縁層を構成する樹脂がポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、フッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、液晶ポリマー、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂の何れかである、
ことを特徴とするアルミベース回路基板。