JP6454743B2 - 樹脂組成物、回路基板用積層板、金属ベース回路基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Description
また、本発明は、耐熱性及び湿熱絶縁性に優れた金属ベース回路基板の絶縁層の形成に好適な樹脂組成物であって、ガラス転移温度(Tg)及び熱分解温度(Td)が高く、低温硬化性に優れ、且つ低吸水性を満たす樹脂組成物を提供することを目的とする。
更に他の側面によれば、上記側面のいずれかにおいて、上記ベンゾオキサジン化合物に由来するフェノール性水酸基を有する化合物は、下記一般式(iic)で表される繰り返し単位を有する化合物である。
一般式(ia)及び一般式(I)中のR11は、各々独立に有機基を表す。
但し、上記一般式(ia)で表される3つのシアネート化合物のうち、少なくとも1つはビスフェノール型シアネート樹脂であり、且つ、少なくとも1つはノボラック型シアネート樹脂である。
一般式(ia)及び一般式(II)中のR11は、各々独立に有機基を表し、一般式(iic)及び一般式(II)中のR2は、有機基を表し、R3は水素原子又は置換基を表す。
R21及びR22は、各々独立に、水素原子又は有機基を表す。
R23及びR24は、各々独立に、水素原子又は置換基を表す。
一般式(ia)及び一般式(III)中のR11は、各々独立に、有機基を表し、一般式(iii)及び一般式(III)中のR4は有機基を表す。上記2つのシアネート化合物は、上記ビスフェノール型シアネート樹脂及び/又は上記ノボラック型シアネート樹脂である。
一般式(iic)及び一般式(IV)中のR2は有機基を表し、R3は水素原子又は置換基を表し、一般式(iii)及び一般式(IV)中のR4は有機基を表す。
また、本発明により、耐熱性及び湿潤耐熱性に優れた回路基板用積層板、この回路基板用積層板から製造される金属ベース回路基板、及び、この金属ベース回路基板を備えるパワーモジュールを提供することが可能となった。
一実施形態において、架橋構造Iは、下記一般式(I)で表される。
本明細書において「有機基」とは、少なくとも1つの炭素原子を含む基を意味する。R11により表される有機基は、シアネート化合物の残部を表す。
但し、上記一般式(ia)で表される3つのシアネート化合物のうち、少なくとも1つはビスフェノール型シアネート樹脂であり、且つ、少なくとも1つはノボラック型シアネート樹脂である。
但し、上記一般式(I)で表される架橋構造Iは一例であり、これに限定されるものではない。
実施形態に係る樹脂組成物は、ベンゾオキサジン化合物を含有し、更に、このベンゾオキサジ化合物に由来する化合物を含有する。
R2により表される有機基は、ベンゾオキサジン化合物の残部である。
ベンゾオキサジン化合物が1つのベンゾオキサジン環を有する化合物である場合には、R2により表される有機基としては、例えば、炭素数1〜12の鎖状アルキル基、炭素数3〜8の環状アルキル基、置換又は無置換のフェニル基等が挙げられる。フェニル基が有してもよい置換基としては、例えば、炭素数1〜12の鎖状アルキル基又はハロゲン原子等が挙げられる。
R3により表される置換基としては、例えば、ハロゲン原子、又は炭素数1〜6の鎖状アルキル基が挙げられる。
R21及びR22は、各々独立に、水素原子又は炭素数1〜6の鎖状アルキル基を表す。あるいは、R21及びR22は、互いに結合し、シクロアルキル基を形成していてもよい。
R23及びR24は、各々独立に、水素原子、ハロゲン原子、又は炭素数1〜6の鎖状アルキル基を表す。
一実施形態において、架橋構造IIは、下記一般式(II)で表される。
但し、上記一般式(II)で表される架橋構造IIは一例であり、これに限定されるものではない。
一実施形態に係る樹脂組成物は、硬化促進剤として、更に、マレイミド化合物を含有することが好ましい。このマレイミド化合物は、樹脂組成物中で、上述したビスフェノール型シアネート樹脂及びノボラック型シアネート樹脂の少なくとも一方と架橋して架橋構造IIIを形成し、また、上述したベンゾオキサジン化合物に由来するフェノール性水酸基を有する化合物と架橋して架橋構造IVを形成する。
R4により表される有機基は、マレイミド化合物の残部である。マレイミド化合物が1つのマレイミド基を有する化合物である場合には、R4により表される有機基としては、例えば、鎖状又は環状アルキル基、ベンゼン、ビフェニル、ナフタレン、アントラセン、フルオレン、フェナントレイン、インダセン、ターフェニル、アセナフチレン、フェナレン等が挙げられる。また、マレイミド化合物が2つ以上のマレイミド基を有する化合物である場合には、R4により表される有機基は、1つ以上のマレイミド基を含むマレイミド化合物の残部を表す。
Rにより表される連結基としては、例えば、アルキレン基、アリーレン基、又はこれらの基の2以上の組み合わせ等が挙げられる。アルキレン基としては、直鎖状又は分岐鎖状のアルキレン基が好ましい。直鎖状のアルキレン基としては、例えば、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、ヘプチレン基、オクチレン基、ノニレン基、デカニレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基、ヘキサメチレン基等が挙げられる。分岐鎖状のアルキレン基としては、例えば、−C(CH3)2−(イソプロピレン基)、−CH(CH3)−、−CH(CH2CH3)−、−C(CH3)(CH2CH3)−、−C(CH3)(CH2CH2CH3)−、−C(CH2CH3)2−等のアルキルメチレン基;−CH(CH3)CH2−、−CH(CH3)CH(CH3)−、−C(CH3)2CH2−、−CH(CH2CH3)CH2−、−C(CH2CH3)2−CH2−等が挙げられる。一実施形態において、Rとしてのアルキレン基の炭素数は、1〜10であることが好ましく、1〜7であることがより好ましく、1〜3(メチレン基、エチレン基、プロピレン基、イソプロピレン基)であることが特に好ましい。
溶剤への溶解性の観点から、nは1〜10の整数が好ましく、1〜7の整数がより好ましく、1〜5の整数が更に好ましい。
2つの一般式(ia)で表されるシアネート化合物は、ビスフェノール型シアネート樹脂であってもよいし、ノボラック型シアネート樹脂であってもよいし、双方であってもよい。
但し、上記一般式(III)で表される架橋構造IIIは一例であり、これに限定されるものではない。
但し、上記一般式(IV)で表される架橋構造IVは一例であり、これに限定されるものではない。
図1及び図2に示す回路基板用積層板1は、金属基板2の片面に絶縁層3が形成され、絶縁層3の上に金属箔4が形成された3層構造をしている。本発明の他の形態において、金属板2の両面に絶縁層3が形成され、更に各絶縁層3の上に金属箔4が形成された5層構造をしていてもよい。なお、図1及び図2において、X及びY方向は金属基板2の主面に平行であり且つ互いに直交する方向であり、Z方向はX及びY方向に対して垂直な厚さ方向である。図1には、一例として矩形上の回路基板用積層板1を示しているが、回路基板用積層板1は他の形状を有していてもよい。
金属基板2は、可撓性を有していてもよく、可撓性を有していなくてもよい。金属基板2の厚さは、例えば、0.2〜5mmの範囲内にある。
金属箔4は、例えば、単体金属又は合金からなる。金属箔4の材料としては、例えば、銅又はアルミニウムを使用することができる。金属箔4の厚さは、例えば、10〜500μmの範囲である。
まず、上述したビスフェノール型シアネート樹脂及びノボラック型シアネート樹脂と硬化促進剤を加熱混合し、その後溶剤に溶解させて溶液を得る。次に、無機充填材を添加する場合は、上述した無機充填材を溶液中に分散させて分散液を得る。無機充填材は、例えば、ボールミル、三本ロール、遠心撹拌機又はビーズミルを用いて、粉砕しつつ上記溶液中に分散させてもよい。また、上記溶液に無機充填材を加えるのに先立って、この溶液にシランカップリング剤、イオン吸着剤などの添加剤を加えてもよい。
図3に示す金属ベース回路基板1´は、図1及び図2に示す回路基板用積層板から得られるものであり、金属基板2と、絶縁層3と、回路パターン4´とを含んでいる。回路パターン4´は、図1及び図2を参照しながら説明した回路基板用積層板の金属箔4をパターニングすることにより得られる。このパターニングは、例えば、金属箔4の上にマスクパターンを形成し、金属箔4の露出部をエッチングによって除去することにより得られる。金属ベース回路基板1´は、例えば、先の回路基板用積層板1の金属箔4に対して上記のパターニングを行い、必要に応じて、切断及び穴あけ加工などの加工を行うことにより得ることができる。
なお、性能評価のために調製された下記樹脂組成物は、以下の理由から溶剤を含有していない。すなわち、樹脂組成物の性能評価においては、測定精度の観点からある程度厚みのある硬化物が必要となる。しかしながら、溶剤を添加した樹脂組成物を使用して厚みのある硬化物を作製すると、溶剤由来の気孔などの欠陥が残存してしまい、均一な試料が得られない。このため、以下に示す樹脂組成物の調製において、溶剤は用いてない。
実施例1A:樹脂組成物1の製造
ビスフェノール型シアネート樹脂(以下、「B型シアネート樹脂」ともいう。)(商品名「BA200」;ロンザジャパン株式会社製)と、ノボラック型シアネート樹脂(以下、「N型シアネート樹脂」ともいう。)(商品名「PT30」;ロンザジャパン株式会社製)を、質量比で9:1になるように混合した。得られたシアネート樹脂の混合物100質量部に対し、硬化促進剤として、下式で表されるPd型ベンゾオキサジン化合物(商品名「Pd型ベンゾオキサジン」;四国化成工業株式会社製)を10質量部添加し、100℃において混合物が均一になるまで撹拌した。得られた樹脂組成物を金型に流し込み、熱処理して硬化させ、縦70mm×横70mm×厚み10.5mmの樹脂組成物1の硬化物を作製した。加熱条件としては、100℃、150℃、180℃の3段階の温度を経て徐々に昇温し(各温度での加熱時間は180分)、最後に220℃で60分加熱した。得られた硬化物から切り出した縦50×横10×厚み2mmの試料を試験片として用いた。
樹脂組成物1に対し、硬化促進剤として更に、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(商品名「EXA−850」;DIC株式会社製)を、シアネート樹脂の混合物100質量部に対して10質量部添加したこと以外は実施例1Aと同様の方法で、樹脂組成物2の硬化物を作製し、試験片を得た。
樹脂組成物1に対し、硬化促進剤として更に、下式で表されるノボラック型マレイミド(以下、「N型マレイミド」ともいう。)(式中、n=1〜10の整数)(商品名「MIR3000」;日本化薬株式会社製)を、シアネート樹脂の混合物100質量部に対して10質量部添加したこと以外は、実施例1Aと同様の方法で樹脂組成物3の硬化物を作製し、試験片を得た。
樹脂組成物1に対し、硬化促進剤として更にビスマレイミドを、シアネート樹脂の混合物100質量部に対して10質量部添加したこと以外は、実施例1Aと同様の方法で樹脂組成物4の硬化物を作製し、試験片を得た。
樹脂組成物1に対し、上記Pd型ベンゾオキサジン化合物の添加量を、シアネート樹脂の混合物100質量部に対して10質量部から15質量部に増加したこと以外は、実施例1Aと同様の方法で樹脂組成物5の硬化物を作製し、試験片を得た。
樹脂組成物1に対し、上記Pd型ベンゾオキサジン化合物に替えて、硬化促進剤として上記Pd型ベンゾオキサジン化合物を予めオイルバスにて100℃1時間の加熱によりプレポリマー化されたPd型ベンゾオキサジンを用いたこと以外は、実施例1Aと同様の方法で樹脂組成物6の硬化物を作製し、試験片を得た。プレポリマー化された上記Pd型ベンゾオキサジンは、重量平均分子量が、GPC法により測定されたポリスチレン換算値において7000であった。
樹脂組成物3に対し、上記N型マレイミドの添加量を、シアネート樹脂の混合物100質量部に対して10質量部から25質量部に増加したこと以外は、実施例3Aと同様の方法で樹脂組成物7の硬化物を作製し、試験片を得た。
樹脂組成物3に対し、上記N型マレイミドの添加量を、シアネート樹脂の混合物100質量部に対して10質量部から50質量部に増加したこと以外は、実施例3Aと同様の方法で樹脂組成物8の硬化物を作製し、試験片を得た。
樹脂組成物2に対し、上記ビスフェノールA型エポキシ樹脂の添加量を、シアネート樹脂の混合物100質量部に対して10質量部から50質量部に増加したこと以外は、実施例2Aと同様の方法で樹脂組成物9の硬化物を作製し、試験片を得た。
樹脂組成物1に対し、上記Pd型ベンゾオキサジン化合物に替えて、硬化促進剤として下式で表されるFa型ベンゾオキサジン(商品名「Fa型ベンゾオキサジン」、四国化成株式会社製)を用いた以外は、実施例1Aと同様の方法で樹脂組成物10の硬化物を作製し、試験片を得た。
樹脂組成物1に対し、10質量部の上記Pd型ベンゾオキサジン化合物に替えて、硬化促進剤として1質量部のテトラフェニルホスホニウムトリルボレート(商品名「TPP−MK」、北興化学製)を用いた以外は、実施例1Aと同様の方法で樹脂組成物R1の硬化物を作製し、試験片を得た。
樹脂組成物1に対し、上記Pd型ベンゾオキサジン化合物に替えて、硬化促進剤として実施例3Aで使用したN型マレイミドを用いたこと以外は、実施例1Aと同様の方法で樹脂組成物R2の硬化物を作製し、試験片を得た。
上記で得られた各樹脂組成物の試験片について、ガラス転移温度、硬化状態、熱分解温度、吸水率を、以下の方法により評価した。評価結果を表2に示す。
[ガラス転移温度(Tg/℃)及び硬化状態]
DMA(Dynamic Mechanical Analysis)で測定し、tanδのピーク温度をガラス転移温度(Tg/℃)とした。
また、以下の基準に基づき、硬化状態を判定した。
・B:tanδのピークがシングルであり、且つ、ガラス転移温度(Tg)以上のゴム状領域で貯蔵弾性率が増加している場合。
・C:tanδのピークがダブルの場合。
TG−DTAにて測定し、初期質量に対して5質量%減少したときの温度を熱分解温度(Td/℃)とした。
[吸水率]
100℃で24時間乾燥したときの質量を初期質量とし、85℃85%の恒温恒湿槽に24時間放置した後の質量増加率を吸水率とした。
上記で得られた各樹脂組成物に溶剤を添加して溶液化し、窒化アルミと窒化ホウ素の1:1(質量比)の混合物を、B型シアネート樹脂とN型シアネート樹脂の混合物の体積に対し、合計で65体積%になるように分散した。その分散液を加熱加圧後の厚みが100μmになるように回路用銅箔に塗工し、ベースとなる銅板と貼り合せ加熱加圧成形し積層板を作製した。
[リフロー試験]
2つサンプルを準備し、一方を下記条件1で試験し、他方を下記条件2で試験した。
条件2:温度40℃、湿度95%の環境に24時間静値した後、280℃に加熱したはんだ浴に5分浮かべる。
積層板を30×30mmに切り出し、エッチングにより基板中央にランドサイズφ20mmを配置した。85℃85%の恒温恒湿槽に入れた状態でランドにDC1kVを印加し絶縁が保たれなくなるまでの時間を測定した。
実施例1A及び5Aは、硬化状態の評価がAであるのに対し、Pd型ベンゾオキサジン化合物を使用していない比較例1Aは、硬化状態の評価がBである。この差は、比較例1Aでは、架橋構造Iを形成しない未反応のシアネート基が存在しているのに対し、実施例1A及び5Aでは、架橋構造Iを形成しない未反応のシアネート基は、Pd型ベンゾオキサジン化合物に由来するフェノール性水酸基を有する化合物と反応し、架橋構造IIを形成したことによるものと考えられる。実施例1A及び5Aでは、架橋構造IIが形成されることで、比較例1Aに対し、ガラス転移温度(Tg)は低下し、一方、シアネート残基が消失したため吸水率は低減した。また、実施例1Aと5Aの対比から、ベンゾオキサジン化合物の添加量を最適化することで、吸水率を更に低減させることが可能なことがわかる。
マレイミド化合物を使用した実施例3A、4A、7A及び8Aの評価結果から、架橋構造III及びIVが形成されることにより、高いガラス転移温度(Tg)及び低い吸水率を維持しつつ、熱分解温度(Td)を更に高くすることができることがわかる。また、実施例3Aと4Aの評価結果の対比から、使用するマレイミド化合物としては、ビスマレイミド化合物よりもN型マレイミド化合物の方が性能的に有利であることがわかる。
1’ 金属ベース回路基板
2 金属基板
3 絶縁層
4 金属箔
4’ 回路パターン
100 パワーモジュール
11 パワーデバイス
12 はんだ層
13 金属ベース回路基板
13a 回路パターン
13b 絶縁層
13c 金属基板
14 放熱シート
15 ヒートシンク
200 従来のパワーモジュール
21 パワーデバイス
22 第一はんだ層
23 回路パターン
24 セラミック基板
25 メタライズ層
26 第二はんだ層
27 金属基板
28 放熱シート
29 ヒートシンク
Claims (9)
- ビスフェノール型シアネート樹脂、ノボラック型シアネート樹脂及び硬化促進剤を含有する樹脂組成物であって、前記硬化促進剤として、ベンゾオキサジン化合物と、前記ベンゾオキサジ化合物由来のフェノール性水酸基を有する化合物と、マレイミド化合物とを含有し、前記マレイミド化合物として、下記一般式(iiib)で表されるノボラック型マレイミド化合物を含有する樹脂組成物であり、前記ビスフェノール型シアネート樹脂と前記ノボラック型シアネート樹脂とが架橋した架橋構造Iと、前記ビスフェノール型シアネート樹脂及び前記ノボラック型シアネート樹脂の少なくとも一方と、前記ベンゾオキサジン化合物由来のフェノール性水酸基を有する化合物とが架橋した架橋構造IIと、前記ビスフェノール型シアネート樹脂及び前記ノボラック型シアネート樹脂の少なくとも一方と前記マレイミド化合物とが架橋した架橋構造IIIと、前記ベンゾオキサジン化合物由来のフェノール性水酸基を有する化合物と前記マレイミド化合物とが架橋した架橋構造IVとを有する樹脂組成物。
- 前記ベンゾオキサジン化合物由来のフェノール性水酸基を有する化合物が、重量平均分子量5000以下の低分子樹脂である、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記ベンゾオキサジン化合物が下記一般式(iib)で表される化合物である、請求項1又は2に記載の樹脂組成物。
R23及びR24は、各々独立に、水素原子又は置換基を表す。 - 前記ノボラック型マレイミド化合物の含有率が、前記ビスフェノール型シアネート樹脂及び前記ノボラック型シアネート樹脂の合計を基準として50質量%以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の樹脂組成物。
- エポキシ樹脂の含有率が、前記ビスフェノール型シアネート樹脂及び前記ノボラック型シアネート樹脂の合計を基準として0〜10質量%である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の樹脂組成物。
- 更に、無機充填材を含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の樹脂組成物。
- 金属基板と、該金属基板の少なくとも片面に設けられた絶縁層と、該絶縁層上に設けられた金属箔とを具備する回路基板用積層板であって、前記絶縁層が請求項1〜6のいずれか1項に記載の樹脂組成物を含む回路基板用積層板。
- 請求項7に記載の回路基板用積層板が具備する金属箔をパターニングすることによって得られる金属ベース回路基板。
- 請求項8に記載の金属ベース回路基板を備えるパワーモジュール。
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