JP6726481B2 - 回路基板及び電子部品搭載基板 - Google Patents

Description

本発明は、回路基板に関するものであり、特に、チップ抵抗、チップコンデンサ、半導体チップ等電子部品を搭載するのに適した回路基板及び電子部品搭載基板に関する。

金属基板は、使用環境の温度変化により搭載部品とアルミ基材との線膨張係数差による熱応力が搭載部品と導体箔を接続している、はんだに集中することではんだクラックが発生することがある。近年、車載用電子機器については、小型化が進み、モーターとの一体化したモジュールとして、より過酷な環境であるエンジンルームに搭載されるケースが増えてきた。
また、搭載部品と導体箔の接続に用いるはんだは、従来は鉛を含有する共晶はんだが使用されていたが、鉛の人体への有害性や廃棄時の自然環境への悪影響から溶融温度の高い鉛フリーはんだが使用されることが多い。よって、急熱急冷を繰り返す過酷な使用環境であるエンジンルーム内で且つ熱応力によるクラックが発生しやすい鉛フリーはんだにおいてもはんだクラックを抑制でき、さらに導体箔と絶縁層の界面の接着性に優れた金属基板が要求されている。

この要求に対し、絶縁層を低弾性率化し冷熱サイクル時の搭載部品とアルミ基材の線膨張率差による熱応力を緩和する手法として、特許文献１に示されるダイマー酸グリシジルエステルからなる組成や、特許文献２に示されるエポキシ樹脂を主体としシリコーン微粒子を有する組成、特許文献３に示されるシリコーンゴム硬化体と樹脂組成層の多層構造を有する絶縁層が提案されている。

特開２００１−２９８２４８号公報 特開２００２−７６５４９号公報 特開平１１−１５０３４５号公報

しかしながら、特許文献１に示されるダイマー酸グリシジルエステルからなる組成は、樹脂の構造から加水分解を起こしやすいため耐湿信頼性に問題があり、エンジンルームなどの過酷な急熱急冷を繰り返す使用環境で使用できる高いハンダクラック耐性も得られない。特許文献２に示されるエポキシ樹脂を主体としシリコーン微粒子を有する組成および特許文献３に示されるシリコーンゴム硬化体と樹脂組成層の多層構造を有する絶縁層については絶縁層にポリジメチルシロキサン骨格を有することで、文献1に示される組成よりはんだクラック耐性は良好であるが、熱応力によるはんだクラックの生じやすい鉛フリーはんだではクラックの発生を抑制することができない。

本発明の目的は、エンジンルームなどの過酷な急熱急冷を繰り返す使用環境で使用できる高いはんだクラック耐性を有し、且つ車載用プリント配線板で必要とされる導体箔の接着強度８．５Ｎ／ｃｍ以上を満足する回路基板を供給することにある。

すなわち、本発明は、
（１）金属製で板状の基材と、基材の一方の面に積層された絶縁層と、絶縁層に積層された導体層を有する回路基板であって、絶縁層を形成する樹脂がポリジメチルシロキサン骨格からなるシリコーン樹脂であり、絶縁層中の無機充填材が４５〜６０体積％であり、無機充填材の２５質量％以上が結晶性シリカである回路基板、
（２）無機充填材の平均粒子径が６〜２０μmである（１）の回路基板、
（３）前記シリコーン樹脂の重量平均分子量が８０，０００以上である（１）又は（２）の回路基板、
（４）結晶性シリカ以外の無機充填材が、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素及び窒化ホウ素から選択される1種以上である回路基板である（１）〜（３）のいずれかの回路基板、
（５）（１）〜（４）のいずれかの回路基板と、この回路基板上に搭載された電子部品を有する電子部品搭載基板、
である。

本発明は、エンジンルームなどの過酷な急熱急冷を繰り返す使用環境で使用できる高いハンダクラック耐性を有し、且つ車載用プリント配線板で必要とされる導体箔の接着強度８．５Ｎ／ｃｍ以上を満足する回路基板である。

（絶縁層）
本発明で使用される絶縁層を形成する樹脂は、冷熱サイクル時の搭載部品とアルミ基材の線膨張率差による熱応力を緩和するため、ポリジメチルシロキサン骨格からなるシリコーン樹脂が好適である。この樹脂には、硬化調整材として、遅延剤や架橋剤を配合するこができる。

本発明では、絶縁層を形成する樹脂に無機充填材を配合することが好ましい。無機充填剤としては、電気絶縁性に優れかつ熱伝導率の高いものが用いられる。例えば、結晶性シリカ、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素及び窒化硼素のいずれか単独又は複数を組み合わせることができる。導体箔の接着強度の見地から、無機充填材の２５質量％以上が結晶性シリカであることが好ましい。
無機充填材の充填率は、絶縁層を形成する樹脂全体のうちの４５〜６０容量％が好ましく、５０〜５7容量％であることがより好ましい。充填率が低いと回路基板の熱伝導性が低下する傾向にあり、充填率が高いと絶縁剤の粘度が高くなり基材への塗布が困難になる。

無機充填材の平均粒子径は、６〜２０μmであることが好ましい。平均粒子径が小さいと絶縁剤の粘度が上昇し基材への塗布が困難となるため、好ましくない。また平均粒子径が大きい場合は、絶縁層の耐電圧が低くなる傾向になるため好ましくない。
なお、本発明において、「平均粒子径」とは、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径を意味する。

本発明では、前期シリコーン樹脂の重量平均分子量は８０，０００以上であるシリコーン樹脂をシリコーン樹脂の２５質量％以上含むことが好ましい。重量平均分子量が８０，０００以下の場合、プリント配線板に要求される接着強度が得られない場合がある。また、この重量平均分子量が８０，０００以上のシリコーン樹脂の配合割合がシリコーン樹脂の２５質量％未満の場合も同様にプリント配線板に要求される接着強度を得られない場合がある。
なお、本発明において、重量平均分子量は、サイズ排除クロマトグラフィーにてトルエン溶媒でスチレン換算により求めた値を意味する。
また、絶縁層を形成する樹脂には、硬化調整剤、無機充填材以外にも、適宜、添加剤を配合することができる。

（金属製で板状の基材）
本発明で使用される金属製で板状の基材としては、アルミ基材が好ましい。アルミ基材は、純アルミ（ＪＩＳ呼称；１０００系）、Ａｌ−Ｓｉ合金（ＪＩＳ呼称；４０００系）、Ａｌ−Ｍｇ合金（ＪＩＳ呼称；５０００系）など従来公知のアルミニウム合金を使用することができ、搭載部品との線膨張率差を小さくできるＡｌ−Ｓｉ合金が好ましい。
また、絶縁層とアルミ基材界面の接着性改善のため、アルマイト処理したアルミ基材を用いることもできる。

（導体層）
本発明で使用される導体層としては、銅、アルミニウム、鉄、錫、金、銀、モリブデン、ニッケル、チタニウムの単体又はこれら金属を二種類以上含む合金があり、なかでも汎用性の高い銅が好ましい。形状としては、板、シート、箔や、これらの積層体がある。導体層の厚さは特に制限はなく、１０〜３００μｍが好ましい。導体層の表面にニッケルメッキや、ニッケル−金メッキ等のメッキ処理をしても良い。

（回路基板の製造方法）
本発明の回路基板の製造方法は、従来公知の回路基板の製造方法で良く、例えば、基材に絶縁剤を塗布した後に加熱半硬化させ、さらに絶縁層の表面に導体層としての金属箔をラミネート又は熱プレスする製造方法、あるいは、絶縁剤をシート状にしたものを介して基材と導体層としての金属箔を貼り合わせる製造方法などがある。

以下に示す方法で、本発明の回路基板を作製し、評価を行った。

（絶縁層）
絶縁層を形成する絶縁剤は次のように作製した。シリコーン樹脂と無機充填材とを自転公転式ミキサー「あわとり練太郎」ＡＲＥ−３１０（株式会社シンキー製、登録商標）で３分間撹拌混合し、絶縁剤を作製した。シリコーン樹脂は、以下に示すものを表1から表５に示す比率で用いた。無機充填材は、以下のアルミナまたはシリカを表1から表５に示す充填率・比率で混合したものを用いた。表１から表５において充填率は体積％を示し、シリコーン樹脂、無機充填材の比率はそれぞれの全体を１００質量％としたときのそれぞれの質量％を示す。

（シリコーン樹脂）
モメンティブ社製ＴＳＥ３０３３ Ｍｗ Ａ剤／Ｂ剤＝２７５００／３６０００
モメンティブ社製ＸＥ１４−Ｂ２３２４ Ｍｗ Ａ剤／Ｂ剤＝８７９００／１０１２００
モメンティブ社製ＴＳＥ３３３１Ｋ Ｍｗ Ａ剤／Ｂ剤＝２１９００／２１２００

（無機充填材）
結晶性シリカ：龍森社製 Ａ−１ ｄ５０＝１２μm
アルミナ（１）：昭和電工社製 ＡＡ−１８ ｄ５０＝１８μｍ
アルミナ（２）：デンカ社製 ＤＡＷ０５ ｄ５０＝５μｍ
アルミナ（３）：デンカ社製 ＤＡＷ１０ ｄ５０＝１０μｍ
アルミナ（４）：デンカ社製 ＤＡＷ４５Ｓ ｄ５０＝４５μｍ

（回路基板）
作製した絶縁剤を基材１として厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板（材質：１０５０昭和電工社製）上にスクリーン印刷法で乾燥後の厚さが１００μｍとなるように塗布して絶縁層２を形成した。絶縁層２の上に導体層３として厚さ７０μｍの銅箔（ＧＴＳ−ＭＰ 古河サーキットフォイル社製、商品名）を貼り合わせ、１８０℃で３時間の加熱を行い、絶縁層２を硬化させた。
この導体層３をエッチングして回路パターンを形成し、回路基板を得た。

（評価）
得られた回路基板について、以下の方法に従って、耐はんだクラック性、耐電圧、及びピール強度の評価を行った。得られた結果を表１から表５に示す。

＜耐はんだクラック性の評価方法＞
この回路パターン上にＲ１６０８（１．６×０．８ｍｍ）のチップ抵抗を錫−銀−銅系の鉛フリーはんだ（千住金属工業社製）、で搭載した。
この電子部品搭載基板を用い、−４０℃〜＋１２５℃（各２０分）の気槽熱衝撃試験を３０００サイクル実施した。顕微鏡にて熱衝撃試験後の半田接続部の断面観察を行い、クラック発生状況を調べ、次のように判定した。
○；クラック長がはんだ接合部全体の長さの５０％未満
×；クラック長が、はんだ接合部全体の長さの５０％以上

＜耐電圧の測定方法＞
エッチング法により、回路基板上に直径が２０ｍｍの円形電極を作成し、ＪＩＳＣ ２１１０に規定された２０秒段階昇圧試験に基づき、円形電極とアルミニウム板との間の耐電圧を測定した。測定器には、菊水電子工業社製、ＴＯＳ５１０１を用いた。

＜ピール強度の評価方法＞
幅１０ｍｍの銅箔を残すように回路基板を加工して試料とした。銅箔と基板を９０度の角度とし、５０ｍｍ／ｍｉｎの引っ張り速度で剥離し、引き剥し強度を測定した。その他の条件はＪＩＳＣ６４８１に基づいた。測定機としては、エー・アンド・デイ社製、テンシロンＲＴＧ１２１０を用いた。

＜熱伝導率の評価＞
絶縁層２の熱伝導率の測定は厚さ１ｍｍにて１８０℃で３時間硬化させた硬化体を用い、キセノンフラッシュ法（ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＬＦＡ ４４７ Ｎａｎｏｆｌａｓｈ）にて評価した。

＜印刷性の評価＞
作製した絶縁剤を基材１として厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板（材質：１０５０昭和電工社製）上にスクリーン印刷法で乾燥後の厚さが１００μｍとなるように塗布し、アルミ板上に塗布された絶縁剤にカスレがあるか評価した。印刷機は、ニューロング社製、１５ＧＴＮを用い、目視にてかすれの発生の有無を判断した。

表１に示した実験例１から実験例６は、フィラー充填率を４０体積％から６５体積％に変えたほかは、すべて同様に評価した。実験例１のフィラー充填率が４０体積％の場合は十分な熱伝導率が得られなかった。実験例６のフィラー充填率が６５体積％の場合は、目標とした耐はんだクラック性が得られず、さらにスクリーン印刷時にカスレが生じ、それにより耐電圧が低い結果となった。また、十分なピール強度も得られなかった。実験例２から実験例５では、耐はんだクラック性、耐電圧、ピール強度、熱伝導率ともに良好な結果が得られた。

表２に示した実験例３および実験例７から実験例１０は、無機充填材のアルミナとシリカの配合比率を変えたほかは、すべて同様に評価した。実験例７のアルミナ単独の場合は、ピール強度が低い結果となったが、実験例８から実験例１０および実験例３のシリカの配合比率が２５質量％以上の場合には、十分なピール強度が得られ、耐はんだクラック性、耐電圧、熱伝導率を含め、良好な結果が得られた。

表３に示した実験例３および実験例１１から実験例１３は、無機充填材の粒径を変えたほかは、すべて同様に評価した。いずれも耐はんだクラック性は目標値を満足したが、実験例１１の平均粒径５μmのアルミナを使用した場合は、スクリーン印刷時にカスレが生じた。また、実験例１３の平均粒径４５μmのアルミナを用いた場合は、耐電圧が著しく低くなった。実験例１２および実験例３のアルミナの平均粒径が１０μm、１８μmの場合は、耐はんだクラック性、耐電圧、ピール強度、熱伝導率ともに良好な結果が得られた。

表４に示した実験例１４から実験例１６は、重量平均分子量の異なるシリコーン樹脂を用いたほかは、すべて同様に評価した。いずれも耐はんだクラック性は目標値を満足したが、実験例１４および実験例１５では、ピール強度が低くなったが、実験例１６は十分なピール強度が得られ、耐電圧、熱伝導率を含め、良好な結果が得られた。

表５に示した実験例３および実験例１７から実験例２０は、重量平均分子量の異なる二種類のシリコーン樹脂の配合割合を変えたほかは、すべて同様に評価した。いずれも耐はんだクラック性は目標値を満足したが、実験例１７の重量平均分子量が小さいシリコーン樹脂を単独で使用した場合は、十分なピール強度が得られなかった。実験例１８から実験例２０および実験例３の重量平均分子量が大きいシリコーン樹脂を２５質量％以上加えた場合は、十分なピール強度が得られ、耐電圧、熱伝導率を含め、良好な結果が得られた。

Claims (5)

1. 金属製で板状の基材と、基材の一方の面に積層された絶縁層と、絶縁層に積層された導体層を有する回路基板であって、絶縁層を形成する樹脂がポリジメチルシロキサン骨格からなるシリコーン樹脂であり、絶縁層中の無機充填材が４５〜６０体積％であり、無機充填材の２５質量％以上が結晶性シリカである回路基板。
2. 無機充填材の平均粒子径が６〜２０μmである請求項１記載の回路基板。
3. 前記シリコーン樹脂のうち、重量平均分子量が８０，０００以上であるシリコーン樹脂をシリコーン樹脂の２５質量％以上含む請求項１又は２記載の回路基板。
4. 結晶性シリカ以外の無機充填材が、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素及び窒化ホウ素から選択される1種以上である請求項１〜３のいずれか１項記載の回路基板。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の回路基板と、この回路基板上に搭載された電子部品を有する電子部品搭載基板。