JP6750284B2 - 金属ベース回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、発熱部品を実装する際に用いられる金属ベース回路基板に関する。

近年、高電圧で駆動するパワートランジスタやハイブリッドIC（Integrated Circuit）を高密度に実装備する例が増加し、放熱設計の問題が重要になっているため放熱性に優れた金属ベース基板が使用されるようになってきた。また、屋外で使用されるケースも増えてきており、絶縁層だけでなく、表面へコーティングする樹脂（ソルダーレジスト）の耐湿性や絶縁性等の信頼性向上も求められており、それに対応するコーティング樹脂が開示されている（特許文献１参照）。

しかしながら、かかるコーティング樹脂の多くはエポキシ樹脂とアクリル樹脂を併用した系が多く、耐熱性および耐湿性において不満足で有り、絶縁信頼性に劣ることが危惧されている。

一方、特許文献２では、複数の粒径を有する無機フィラーを高充填することにより、高い放熱性を実現し、かつ高湿度に耐えうる金属ベース回路基板が開示されている。

無機フィラーの高充填により放熱性を改善した絶縁層は、金属ベースおよび回路箔に使用する金属との線膨張係数（ＣＴＥ）との差が大きく、使用が想定されるパワートランジスタやハイブリッドＩＣにおいては、このＣＴＥ差による断線や剥離が生じることが危惧される。

特開２００７−２２４１６９号公報 特開２００９−１６４５４０号公報

そこで、本発明の目的は、熱伝導性を保持したまま、ＣＴＥを金属ベースや回路箔と同等に制御できる絶縁層を構築し、高温動作信頼性の高い金属ベース回路基盤を提供することにある。

本発明者らは鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
［１］少なくとも金属ベースと金属ベース上に積層された絶縁層と、絶縁層の上に積層された回路箔からなる金属ベース回路基板において、前記絶縁層に長さ方向の熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上であり、繊維径が３μｍ以上５０μｍ以下である有機繊維を、樹脂１００質量部に対して、３質量部以上４０質量部以下含むことを特徴とする金属ベース回路基板。
［２］前記絶縁層を構成する樹脂が、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ＥＰＤＭ系樹脂、ポリカーボネート系樹脂から選択される少なくとも一種であることを特徴とする［１］に記載の金属ベース回路基板。
［３］前記有機繊維が、高強度ポリエチレン繊維、ポリベンザゾール繊維、芳香族ポリアミド繊維から選択される少なくとも１種以上であることを特徴とする［１］または［２］のいずれかに記載の金属ベース回路基板。

本発明の金属ベース回路基板は、絶縁層部に特定の有機繊維を含むことにより、絶縁層の放熱性能を維持したまま、さらに高信頼性を有する金属ベース回路基板を提供することができる。
絶縁層に繊維を組み合わせて絶縁層のCTEを制御する手法はプリント配線板では広く行われている。しかしながら一般のプリント配線板に使用されるガラス繊維は弾性率が小さいために十分なCTE制御効果を得るためには、相当量を使用することが必要になる。一方でガラス繊維の熱伝導率は低く、CTE制御に十分な量を使用すると絶縁層の熱伝導率が低下してしまう。
しかしながら、本発明で用いる特定の有機繊維は、高い弾性率を有するため比較的少量で十分なCTE制御効果を得ることができる。さらに本発明の特定の有機繊維は繊維軸方向の熱伝導率が非常に高く、絶縁層内で有機繊維とは別に厚さ方向への熱伝導率改善を目的に配合される熱伝導フィラーとの接触ないし近接に存在することにより、絶縁層内での熱の授受を効率化し、繊維の主配向方向である面方向への放熱効果を促進させ、総合的に絶縁層の熱伝導効率を高める効果を発揮する。

本発明の絶縁層に用いる樹脂としては、耐熱性や熱安定性に優れることが好ましく、使用樹脂を適切に選択することで、これらの物性を所望の範囲に調製することが可能である。また、密着性を考慮して、柔軟性に優れる樹脂もしくは接着性を有する樹脂を選定することが好ましい。例えば、柔軟性に優れる材質としては、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ＥＰＤＭ、ポリカーボネート系樹脂が挙げられ、接着性を有する材質としては、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂の半硬化状態のものが挙げられる。柔軟性に優れる材質としては、特にヒートサイクルによる物性変化が少なく劣化しにくいシリコーン系樹脂が好ましい。接着性を有する材質としては、発熱体との接着界面での耐熱衝撃性の観点から衝撃吸収性の良いウレタン系樹脂が好ましい。また難燃性の材質を選択することで難燃性を付与することも可能である。

熱伝導性向上のために、無機フィラーを絶縁層中に添加し、有機繊維と併用してもよい。

熱伝導性向上のための無機フィラーとしては酸化アルミニウム、窒化珪素、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素等、電気絶縁性で樹脂よりも熱伝導性に優れるものならば、いずれのものでも使用できる。また、無機フィラーの形状は球状、破砕状、棒状、繊維状のいずれのものでも使用できる。
本発明の無機フィラーの平均粒子径は０．３μｍ以上、２０μｍ以下である事が好ましく、さらに０．５μｍ以上１２μｍ以下が好ましく、０．９μｍ以上、６μｍ以下が好ましい。ここに平均粒子径は光散乱法で求められるD50である。本発明の有機フィラーの平均粒子径は有機繊維の繊維径と同サイズから繊維径の１／１０の範囲である事が好ましい。両者のサイズの比がこの範囲に入る場合に特に好ましく熱の授受が行われる。

このような無機フィラーを含有する系ではシランカップリング剤などのカップリング剤を樹脂中に配合することが好ましい。吸湿時の電気特性を劣化させるイオン性不純物は、無機フィラーにより絶縁層中に多量に導入されるのでイオン吸着無機物質と組み合わせ使用することにより顕著な特性向上を図ることができる。また吸湿時の電気特性の劣化は、無機フィラーと樹脂との界面密着性によっても大きく影響され、界面密着性に寄与するカップリング剤の添加は必須である。絶縁層中の無機フィラーは、添加する目的によるが、樹脂１００質量部に対して、１０質量部以上８０質量部以下の添加が好ましく、さらに２０質量部以上５０質量部の添加が好ましい。
カップリング剤は、無機フィラー粒子の表面積を少なくても単分子層で覆る添加量として、カップリング剤の単位重量あたりの被覆面積と無機フィラー表面積から計算して求める。

本発明の絶縁層の製造方法としては、公知の方法で得ることができるが、次に示す方法が、絶縁層に気泡が巻き込まれるのを防止し、安定して、金属ベースおよび回路箔との接着性に優れ、工電気絶縁性で熱伝導性に優れ、かつ高温動作信頼性に優れる樹脂硬化体を得ることができることから、好ましい。

本発明の絶縁層の製造方法は、ウレタン系樹脂と硬化剤とを混合し、その後、硬化する前に、有機繊維を配合し、混合することを特徴とする。ここで用いる混合機については、万能混合攪拌機、遊星式攪拌脱泡装置、加圧ニーダー等の従来公知の混合機を用いれば良く、また、コーティング条件についても適宜選択すれば良く、格別な条件を設定すべき理由はない。

本発明の絶縁層のコーティング方法については、スクリーン印刷、ティップコーター、コンマコーター、ダイコーター等の従来公知のコーティングプロセスを用いればよく、また、コーティング条件についても適宜選択すれば良く、格別な条件を設定すべき理由はない。

用いる有機繊維は、繊維径が３μｍ以上５０μｍ以下である。本発明の有機繊維の繊維径は５μｍ以上３０μｍであることが好ましく、７μｍ以上３０μｍ以下である事が好ましい。繊維径は繊維の電子顕微鏡などにより拡大像を得て、スケールで実測すればよい。
有機繊維の繊維径は、別途配合される熱伝導性フィラーとの相互作用を得るために重要であり、繊維径が所定の範囲を上回ると、熱伝導フィラーとの熱の授受が速やかに行われなくなる。繊維径が所定の範囲を下回る場合には、本来的には熱の授受効果が高くなるのであるが、繊維の比表面積が増えるためにバインダー樹脂の吸液量が増し、絶縁層のフォーミュレーションが難しくなる。

本発明の有機繊維の熱伝導率は２５Ｗ／ｍＫ以上が必須で有り、さらに３５Ｗ／ｍであることが好ましく、さらに５０Ｗ／ｍであることがなお好ましい。。
繊維種としては電気絶縁性であり、所定の高い熱伝導性と繊維径を有する繊維であれば特に限定するものではなく、例えば、高強度ポリエチレン繊維、ポリベンザゾール繊維、芳香族ポリアミド繊維などが挙げられるが、特に耐熱性を兼ね備え、入手が容易であるポリベンザゾール繊維が好ましい。ポリベンザゾール繊維としてはポリベンゾオキサゾール繊維、ポリベンゾチアゾール繊維、ポリベンゾイミダゾール繊維を用いることができる。これら内、ポリベンザゾール繊維の一種である東洋紡株式会社製 Ｚｙｌｏｎ を好ましく用いることができる。

本発明の有機繊維は、絶縁層の主として面方向に配置される。本発明では有機繊維は平織、ないし不織布形態で配合することが好ましい。本発明において特に好ましくは、該有機繊維をパイル織りの形で配合することが好ましい。パイル織物とは、平織か綾織で編地の片面または両面にパイルを織り出した織物の総称であり、添毛織り（てんもうおり）とも云う。ここにパイルとは下地から出ている繊維のことで、織った後の処理により2種類に分類される。パイルをループのままにしたものをループパイル（輪奈）またはアンカットパイルといい、ループをカットしたものをカットパイル（切毛）という。
本発明の有機繊維の配合量は、絶縁層の樹脂成分１００質量部に対して、３質量部以上４０質量部以下である。有機繊維の配合量はさらに好ましくは４質量部以上２４質量部以下であり、なお好ましくは５質量部以上１２質量部以下である。

本発明の金属ベース回路基板は、本発明によれば、アルミニウムなどの金属ベースに絶縁層を積層し、その後銅箔などの回路箔をプレスあるいはラミネートなどにより貼り合わせることで製作される。
本発明で好ましく用いられる金属ベースは金属の板材であれば、特に限定されないが、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金を好ましく用いることができる。
本発明における回路箔としては、銅箔、銅合金泊、ニッケル箔、アルミニウム箔、銀箔、銀合金箔を好ましく用いることができる

本発明では回路箔を一般的なエッチング加工、あるいは高出力のレーザーによる切削加工など適宜公知の加工方法を選択してパターン化することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。なお、以下の実施例における物性の評価方法は以下の通りである。
１．シートの線膨張係数（ＣＴＥ）
作製した金属ベース回路基板の回路箔を塩化第二銅エッチング液で、金属ベースを関東化学株式会社性アルミエッチング液で全て除去して得られた絶縁層を下記条件にて伸縮率を測定し、１５℃間隔（３０〜４５℃、４５℃〜６０℃、・・・）での伸縮率／温度を測定し、この測定を３００℃まで行い、全測定値の平均値を線膨張係数（ＣＴＥ）として算出した。
使用機器 ： ＭＡＣサイエンス社製「ＴＭＡ４０００Ｓ」
試料長さ ： ２０ｍｍ
試料幅 ： ２ｍｍ
昇温開始温度 ： ２５℃
昇温終了温度 ： ４００℃
昇温速度 ： ５℃／分
雰囲気 ： アルゴン
初荷重 ： ３４．５ｇ／ｍｍ２
２．金属ベース回路基板の耐電圧
測定用試料として、作製した金属ベース回路基板の原板をエッチング処理し、所望の回路を作製したものを試料とし、
・初期
・マイグレーション試験後：８５℃、湿度８５％ＲＨ、ＤＣ１０００Ｖ、１０００時間の条件（マイグレーション試験）下に暴露した後
・PCT試験後：１２１℃、湿度１００％ＲＨ、２ａｔｍ、９６時間の条件（ＰＣＴ処理）下に暴露した後、
についてＪＩＳ Ｃ ２１１０に基づき平行平板、直流印可時の絶縁破壊電圧を測定し、絶縁破壊電圧を絶縁層の厚さで除して絶縁破壊強度を求めた。測定器には、菊水電子工業社製ＴＯＳ−８７００を用いた。
３．金属ベース回路基板の熱抵抗
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基裏面の温度差を測定し、熱抵抗値を測定し、放熱グリースの熱抵抗値を補正することにより求める試験片の熱抵抗値を測定した。

〔実施例〕
以下に具体的な実施例を述べる。
（実施例１）
有機繊維として、ＺｙｌｏｎＨＭ（東洋紡製：繊維径１２μｍ、繊維軸方向の熱伝導率は、６０Ｗ／ｍＫ、有機繊維Ａ）のパイル織り布に、
樹脂溶液として、東洋紡製 飽和共重合ポリエステルウレタン樹脂 ＵＲ３６００／８０．９重量部、東洋紡製飽和共重合ポリエステルウレタン樹脂ＢＸ−１０ＳＳ／１２．０重量部、東洋紡製 エポキシ樹脂 ＡＨ−１２０／７．１重量部、メチルエチルケトン２００重量部を混合した溶液（樹脂溶液Ｘ）に含浸させた。

厚さ１．５ｍｍのアルミニウム金属ベース上に前記樹脂溶液を含浸させたパイル織り布を重ね、１００℃、６０分間加熱して溶剤を揮発させ、適宜溶液の塗布乾燥を繰り返し継続して有機繊維が概ね埋没する程度に樹脂層の厚さを増し、半硬化状態にした後、厚さ７０μｍの銅箔を重ね、真空プレスにて加圧し、更に１４０℃２時間加熱して硬化させ、金属ベース回路基板原板を作製した。

金属ベース回路基板原板の銅箔上にドライフィルムレジストと塩化第二銅エッチング液を用いた常法によりパワートランジスタ実装用の回路パターンと、絶縁耐圧評価用の電極パターンを有する、金属ベース回路基板を得た。

得られた金属ベース回路基板について、上述のとおりに各特性を調べ、その結果を表１に示した。

（参考例２）
有機繊維をＤｙｎｅｅｍａＳＫ７１（東洋紡製；繊維径１１μｍ、繊維軸方向の熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ、有機繊維Ｂ）の平織り布に替え、乾燥温度を６０℃、真空プレスでの加圧過熱時の温度を８０℃に加熱時間を４時間に下以外は実施例１と同様に操作し、金属ベース回路基板原板を作製した。
以下同様にパターンを形成し評価した、結果を表１．に示す。なお表１の実施例２を参考例２に読み替える。
（実施例３）
有機繊維をケブラー（東レデュポン製、アラミド繊維、繊維径１１μｍ、繊維軸方向の熱伝導率は、６０Ｗ／ｍＫ、有機繊維Ｃ）のパイル織り布に変更したこと以外は、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を得た。同様に評価した結果を表１に示す。

（実施例４）
樹脂をモメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製 液状シリコーンゴム主剤ＴＳＥ３４３１−Ａ／１００質量部、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製 液状シリコーンゴム硬化剤 ＴＳＥ３４３１−Ｃ／３０質量部を混合した樹脂溶液（樹脂溶液Ｙ）に替えた以外は、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を得た。以下同様に評価した結果を表１．に示す

（実施例５）
樹脂に無機フィラーとして、二酸化ケイ素（無機フィラーα）平均粒子径０．１５μｍを添加したこと以外は、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を得た。
（実施例６）
樹脂に無機フィラーとして、酸化アルミニウム（無機フィラーβ）平均粒子径３．６μｍを添加したこと以外は、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を得た。

（比較例１）
有機繊維を用いず、絶縁層の厚さが８０μｍになるように塗布乾燥した以外は、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を得た。以下同様に評価した結果を表１．に示す

（比較例２）
有機繊維を絶縁層の厚さが８０μｍになるように塗布乾燥した以外は、実施例５と同様にして金属ベース回路基板を得た。以下同様に評価した結果を表１．に示す

本発明による金属ベース回路基板は、金属ベースと銅箔との間に、有機繊維を有した絶縁層を積層することにより、金属と絶縁層のCTEを近接させており、その結果、低い熱抵抗、高い耐電圧、高い耐湿信頼性、高い高温動作信頼性を有する優れた特性を示すものである。

Claims (4)

1. 少なくとも金属ベースと金属ベース上に積層された絶縁層と、絶縁層の上に積層された回路箔からなる金属ベース回路基板において、前記絶縁層に長さ方向の熱伝導率が２５Ｗ／ｍＫ以上であり、繊維径が３μｍ以上５０μｍ以下である有機繊維を、パイル織の形で樹脂１００質量部に対して、２９質量部以上３３質量部以下含むことを特徴とする金属ベース回路基板。
2. 前記絶縁層を構成する樹脂が、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ樹脂から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の金属ベース回路基板。
3. 前記有機繊維が、高強度ポリエチレン繊維、ポリベンザゾール繊維、芳香族ポリアミド繊維から選択される少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の金属ベース回路基板。
4. 絶縁層の線膨張係数が２０〜２２ｐｐｍ／Ｋであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属ベース回路基板。