JP6993540B2 - 積層体、接着方法および回路基板用半製品 - Google Patents

積層体、接着方法および回路基板用半製品 Download PDF

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Description

本発明は、基材に絶縁層を介して回路を積層してなる積層体、接着方法および回路基板用半製品に関するものである。
従来、集積回路等を実装した基板として、基材に絶縁層を介して回路を積層してなる積層体が使用されている(例えば、特許文献1、2参照)。絶縁層は基材と回路との間の耐電圧を確保する役割を持っている。また、絶縁層には、フィラーを含み、このフィラーによって絶縁層の熱伝導性を確保している。このような積層体とすることによって、回路上の発熱素子において発生し回路に伝達した熱を、絶縁層を介して基材に伝え、基材から外部に放熱している。特許文献1では、圧着によって絶縁層と基材とを接着している。一方、特許文献2では、絶縁層と基材との間に、接着剤からなる接着層を形成して、絶縁層と基材とをより強固に接着している。
特開2009-246079号公報 特開2013-254921号公報
ところで、積層体には、上述した耐電圧および放熱特性(熱伝導性)を確保し、かつ、基材と絶縁層との間や、絶縁層と回路との間で剥離しないことが求められる。しかしながら、特許文献2のように接着層を形成すると、熱伝導性が低下する。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、耐電圧、熱伝導性および接着強度を同時に満たすことができる積層体、接着方法および回路基板用半製品を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層体は、基材と、回路と、前記基材と前記回路との間に設けられ、熱伝導性のフィラーを含む絶縁層と、少なくとも前記基材と前記絶縁層とを接着する接着剤と、を備え、前記基材と前記絶縁層とは、一部が前記接着剤によって接着され、他の部分が互いに接触し、前記絶縁層は複数の空間を有し、前記空間の少なくとも一部には、前記接着剤が充填されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記接着剤は、前記回路と前記絶縁層とを接着し、前記回路と前記絶縁層とは、一部が前記接着剤によって接着され、他の部分が互いに接触することを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体は、上記の発明において、前記絶縁層は、体積比で60%以上85%以下の前記フィラーを含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる積層体は、基材と、回路と、前記基材と前記回路との間に設けられ、絶縁性のフィラーを含む絶縁層と、少なくとも前記回路と前記絶縁層とを接着する接着剤と、を備え、前記回路と前記絶縁層とは、一部が前記接着剤によって接着され、他の部分が互いに接触し、前記絶縁層には、複数の空間が形成され、前記絶縁層に形成される少なくとも一部の空間であって、前記基材側の表面に通じる空間には、前記接着剤が充填されている、ことを特徴とする。
また、本発明にかかる接着方法は、基材と、回路基板と、前記基材と前記回路基板との間に設けられ、絶縁性のフィラーを含む絶縁層と、少なくとも前記基材と前記絶縁層とを接着する接着剤とを備える積層体における接着方法であって、前記絶縁層の前記基材の接着面に液状の前記接着剤を塗布し、記絶縁層に形成される少なくとも一部の空間に前記接着剤を浸透させ、前記絶縁層の接着面と、前記基材の接着面とを重ねた後、高温下で加圧して前記接着剤を硬化させることを特徴とする。
また、本発明にかかる回路基板用半製品は、絶縁層および接着剤からなり、前記絶縁層には、複数の空間が形成され、前記空間の少なくとも一部には接着剤が充填されている、ことを特徴する。
本発明によれば、積層体において、耐電圧、熱伝導性および接着強度を同時に満たすことができるという効果を奏する。
図1は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の構造を示す断面図である。 図2は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の製造方法を説明する断面図(その1)である。 図3は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の製造方法を説明する断面図(その2)である。 図4は、本発明の実施の形態の変形例1にかかる積層体の構造を示す断面図である。 図5は、本発明の実施の形態の変形例2にかかる積層体の構造を示す断面図である。 図6は、本発明の実施の形態の変形例2にかかる積層体における絶縁層の断面を観察した画像を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
(実施の形態)
図1は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の構造を示す断面図である。図1に示す積層体1は、基材10と、複数の回路11と、基材10と回路11との間に設けられる絶縁層12と、基材10と絶縁層12とを接着する接着剤13とを備える。
基材10は、略板状の部材である。基材10は、図1では、略板状をなす例を示しているが、この形状に限らない。基材10は、例えば、放熱フィンを有するヒートシンク等であってもよい。基材10の材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金、銅、鉄等が挙げられる。なお、ここでいう「主成分」とは、材料を構成する成分において含有率が最も高い成分のことをいう。
絶縁層12は、基材10と回路11との間に介在し、回路上の発熱素子から回路11に伝達される熱を基材10に伝える。絶縁層12は、フィラーを含む絶縁性樹脂を用いて形成される。絶縁性樹脂は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。フィラーは、絶縁性と熱伝導性とを有し、その存在比は、例えば絶縁層12全体において体積比で60%以上85%以下である。フィラーは、酸化アルミニウムや、酸化ケイ素、窒化ホウ素が用いられる。回路11と絶縁層12とは絶縁層の樹脂成分の接着力よって接着される。ここで、フィラーの体積比とは、樹脂の体積とフィラーの体積との合計に対するフィラーの体積の割合をいう。
また、絶縁層12の内部には、ボイドや亀裂等からなる複数の空間(孔)が形成されている。これらの空間は、絶縁層12の表面に通じる空間、絶縁層12の内部において閉塞された空間を含む。
接着剤13は、基材10と絶縁層12とが対向する面の一部に介在して基材10と絶縁層12と接着する。基材10と絶縁層12とは、一部が接着剤13によって接着され、他の部分において接触している。また、接着剤13は、絶縁層12に形成される、ボイドや亀裂部分等の空間のうち、絶縁層12の表面に通じる空間12aに入り込んで、その空間12aを充填する。本実施の形態において、空間12aは、絶縁層12の、基材10と向かい合う表面に通じる空間である。なお、接着剤13は、絶縁層12の表面から浸入可能な空間12aに充填され、表面には通じない閉塞された空間12bには充填されない。接着剤13は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂が用いられる。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂が挙げられる。エポキシ樹脂の硬化剤としては、アミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、イミダゾール系硬化剤などが挙げられる。接着剤13として、絶縁層12と同じ絶縁性樹脂を用いてもよい。
続いて、積層体における基材10と絶縁層12との接着について、図2および図3を参照して説明する。図2および図3は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の製造方法を説明する断面図である。
まず、体積比で70%のフィラーを含む絶縁性樹脂を成形して乾燥させることによって、厚さ200μmの絶縁層12を作成する(図2参照)。
その後、絶縁層12の基材10を接着する面に、液状の接着剤13を塗布する。接着剤の塗布量は乾燥後の絶縁層の体積未満とする。この際、接着剤13の一部が絶縁層12に浸透する。なお、接着剤13を塗布する前に絶縁層12が硬い状態であっても、塗布後に柔軟になって扱いやすくなる。接着剤13が浸透した絶縁層12が、回路基板用半製品を構成する。
液状の接着剤13を塗布した絶縁層12を、厚さ2mmの基材10に載置し、加熱および加圧して接着剤13を硬化させる(図3参照)。硬化時の温度や圧力は、使用する材料によって適宜設定される。例えば、110℃以上200℃以下の高温下において、15MPa以上35MPa以下の圧力で、数分間処理する。この際、接着剤13は、加圧によって絶縁層12に形成されるボイドや亀裂部分(上述した空間12a)に入り込む。また、基材10と絶縁層12とは、一部において接触している。絶縁層12は加圧により厚さが120μmとなる。
上述したようにして基材10と絶縁層12とが、接着剤13によって接着される。その後、絶縁層12に厚さ0.5mmの回路11を接着することによって、積層体1が作製される。なお、回路11と絶縁層12との接着は、絶縁層12の樹脂成分の接着力によって接着される。
以上説明したように、本実施の形態によれば、基材10と絶縁層12とが、一部において接着剤13に接着されつつ、他の部分において接触するようにしたので、強固に接着しつつ、回路11から基材10に伝わる熱伝導の経路も確保されるため、熱伝導性と接着強度とを満たすことができる。さらに、接着剤13が、絶縁層12に形成されるボイドや亀裂部分等の空間に入り込んで、その空間を充填しているため、耐電圧を向上させることができる。
(変形例1)
次に、本発明の実施の形態の変形例1について、図4を参照して説明する。図4は、本発明の実施の形態の変形例にかかる積層体の構造を示す断面図である。本変形例1に係る積層体1Aは、絶縁層12として速硬化性の樹脂を用いている。なお、積層体1Aでは、速硬化性の樹脂を用いることによって、基材10と絶縁層12との接着を可能としている。積層体1Aは上述した実施の形態に係る積層体1に対し、接着剤13が、回路11と絶縁層12との間を接着する点が異なる。
本変形例1にかかる積層体1Aは、基材10と、複数の回路11と、基材10と回路11との間に設けられる絶縁層12と、回路11と絶縁層12とを接着する接着剤13とを備える。接着剤13は、回路11と絶縁層12とが対向する面の一部に介在して回路11と絶縁層12と接着する。また、回路11と絶縁層12とは、積層体1における基材10と絶縁層12との間と同様に、一部が接着剤13によって接着され、他の部分において接触している。本変形例1において、基材10と絶縁層12とは絶縁性樹脂と接着剤の接着力よって接着される。
本変形例1によれば、回路11と絶縁層12とが、一部において接着剤13に接着されつつ、他の部分において接触するようにしたので、強固に接着しつつ、回路11から絶縁層12に伝わる熱伝導の経路も確保されるため、実施の形態と同様に、熱伝導性と接着強度とを満たすことができる。
(変形例2)
次に、本発明の実施の形態の変形例2について、図5を参照して説明する。図5は、本発明の実施の形態の変形例2にかかる積層体の構造を示す断面図である。本変形例2に係る積層体1Bは、上述した実施の形態に係る積層体1に対し、回路11と絶縁層12との間も接着剤13によって接着する点が異なる。
本変形例にかかる積層体1Bは、基材10と、複数の回路11と、基材10と回路11との間に設けられる絶縁層12と、基材10と絶縁層12とを接着する接着剤13とを備える。接着剤13は、基材10と絶縁層12とが対向する面の一部に介在して基材10と絶縁層12と接着するとともに、回路11と絶縁層12とが対向する面の一部に介在して回路11と絶縁層12と接着する。また、回路11と絶縁層12とは、基材10と絶縁層12との間と同様に、一部が接着剤13によって接着され、他の部分において接触している。
また、接着剤13は、実施の形態と同様に、絶縁層12に形成される、ボイドや亀裂部分等の空間のうち、絶縁層12の表面に通じる空間12aに入り込んで、その空間12aを充填する。本変形例において、空間12aは、絶縁層12の、基材10と向かい合う表面、または、回路が積層される側の表面に通じる空間である。
図6は、本発明の実施の形態にかかる積層体における基材と絶縁層との接着部分の断面を観察した画像を示す図である。なお、図6では、図5に示す積層体1Bに対応する構成に同じ符号を付している。図6に積層体における絶縁層の断面を観察したSEM画像を示す。図6では、接着剤13が、絶縁層12に形成されるボイドや亀裂部分等の空間(空間12a)に入り込んで、その空間を充填している様子が観察される。図6では、接着剤13を白色で表している。なお、図6に示す符号は、各構成要素の代表的な部分に付している。
ここで、各種積層体の特性を測定した結果について説明する。
積層体1Bのサンプルにおいて、熱伝導率、耐電圧、例えば基材10の絶縁層12を引き剥がす単位面積(幅)あたりの引き剥がし強さを示すピール強度、ボイド率を測定したところ、熱伝導率が9W/mK、耐電圧が6.4kV、ピール強度が6.5N/cm、ボイド率が6.2であった。これに対し、接着剤が基材10の表面に対して連続的に層状をなして設けられる接着層を介して基材10と絶縁層12、回路11と絶縁層12をそれぞれ接着したサンプルA、および接着剤13を有しないサンプルBにおいて同様に測定した。サンプルAは、熱伝導率が8.1W/mK、耐電圧が4.7kV、ピール強度が8.6N/cmであった。サンプルBは、熱伝導率が8.3W/mK、耐電圧が3.0kV、ボイド率が7.1%であった。積層体1Bに対してサンプルAは、接着剤13が基材10と絶縁層12との間、回路11と絶縁層12との間にそれぞれ層状に存在するため、ピール強度は高くなったが、熱伝導率が低くなった。また、絶縁層12に形成されるボイドや亀裂部分等の空間に接着剤13が入り込まず、耐電圧も低くなった。一方でサンプルBは接着不良によりピール強度が測定できなかった。これは絶縁層のフィラー含有量が多いために絶縁層の樹脂の接着力では積層するのに不十分であったためと考えられる。この測定結果から、本発明の積層体1Bは、従来の積層体と比して、熱伝導率、耐電圧および引き剥がし強さの全てを確保できていることが分かる。
さらに、積層体1Bに対し、絶縁層12が含むフィラーを体積比で75%とした積層体(これを積層体1Cとする)を作製し、上記の特性を測定した。積層体1Cの接着剤としてイミダゾール系硬化剤を用いる場合、例えば体積比で19.6%のエポキシ樹脂(主剤)、5.4%の硬化剤、75%のフィラーを混合してシート状にし、乾燥させることによって、重合成分を19.9%、主剤を5.0%、硬化剤を0.1%、フィラーを75%含む絶縁層12を得る。ここで、重合成分は、主剤同士が反応して生成された反応物、および、主剤と硬化剤とが反応して生成された反応物等、主剤同士または主剤と硬化剤との様々な組み合わせで反応した反応物を含み、各反応物は低分子量体のものから高分子量体のものを含む。
その後、接着剤を塗布して絶縁層12に浸透させる。これにより、主剤を12.2%、重合成分を18.3%、フィラーを69.5%含む、接着剤が浸透した絶縁層12が得られる。この際の絶縁層12に対する接着剤の浸透率は、接着剤浸透後の絶縁層12全体に対する体積比で7.9%である。また、この際の絶縁層12の接着剤浸透前の気孔率は39.9%、浸透後の気孔率は35.1%であった。この絶縁層12を用いて積層体12Cを作製する。この積層体1Cは、熱伝導率が10.9W/mK、耐電圧が8.0kVであった。積層体1Cは、積層体1Bと比して、熱伝導率および耐電圧が高い。
なお、積層体1Cの接着剤の主剤としてエポキシ樹脂、硬化剤としてアミン系硬化剤を用いる場合、例えば体積比で19.6%のエポキシ樹脂(主剤)、5.4%の硬化剤(アミン)、75%のフィラーを混合してシート状にし、乾燥させることによって、重合成分を19.9%、主剤を5.0%、硬化剤を0.1%、フィラーを75%含む絶縁層12が得られる。その後、接着剤を塗布して絶縁層12に浸透させる。これにより、主剤を8.5%、硬化剤を1.0%、重合成分を19.0%、フィラーを71.4%含む、接着剤が浸透した絶縁層12が得られる。この際の絶縁層12に対する接着剤の浸透率は、接着剤浸透後の絶縁層12全体に対する体積比で5.0%である。接着剤浸透率は、接着剤の粘度によって変化する。接着剤浸透率は2.0%以上である。
また、積層体1Bに対し、絶縁層12の厚さを100μmとした積層体(これを積層体1Dとする)を作製し、上記の特性を測定した。この積層体1Dは、熱伝導率が9W/mK、耐電圧が5.3kV、ピール強度が6.5N/cm、ボイド率が6.2であった。積層体1B、1Dともに、サンプルA、Bよりも耐電圧が高い。
積層体1Dは、積層体1Bに対して絶縁層12の厚さを薄くしているものの、熱伝導率、ピール強度およびボイド率が積層体1Bと同じであった。特に、積層体1Dは、積層体1Bと比して絶縁層の厚さが薄いにも関わらず、5kV以上の耐電圧を有する点で優れている。このため、積層体1Dは、積層体1Bの特性を維持したまま、熱抵抗を17%程度低減できるといえる。
一方、接着層を有さず、絶縁層が速硬化性の樹脂を用いて形成されるサンプルC、サンプルBに対し、絶縁層12が含むフィラーを体積比で75%としたサンプルD、サンプルBに対し、絶縁層12の厚さを100μmとしたサンプルEを作製したところ、各サンプルにおいて接着不良が生じ、上記の測定はできなかった。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。例えば、本発明の回路の代わりに樹脂に回路パターンが印刷された回路基板を絶縁層上に積層する構造に、本発明の接着方法を適用してもよい。
以上説明したように、本発明に係る積層体、接着方法および回路基板用半製品は、耐電圧、熱伝導性および接着強度を同時に満たすことができる積層体を得るのに好適である。
1、1A、1B 積層体
10 基材
11 回路
12 絶縁層
13 接着剤

Claims (6)

  1. 基材と、
    回路と、
    前記基材と前記回路との間に設けられ、熱伝導性のフィラーを含む絶縁層と、
    少なくとも前記基材と前記絶縁層とを接着する接着剤と、
    を備え、
    前記基材と前記絶縁層とは、一部が前記接着剤によって接着され、他の部分が互いに接触し、
    前記絶縁層には、複数の空間が形成され、
    前記空間の少なくとも一部には、前記接着剤が充填されている、
    ことを特徴とする積層体。
  2. 前記接着剤は、前記回路と前記絶縁層とを接着し、
    前記回路と前記絶縁層とは、一部が前記接着剤によって接着され、他の部分が互いに接触する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の積層体。
  3. 基材と、
    回路と、
    前記基材と前記回路との間に設けられ、絶縁性のフィラーを含む絶縁層と、
    少なくとも前記回路と前記絶縁層とを接着する接着剤と、
    を備え、
    前記回路と前記絶縁層とは、一部が前記接着剤によって接着され、他の部分が互いに接触し、
    前記絶縁層には、複数の空間が形成され、
    前記絶縁層に形成される少なくとも一部の空間であって、前記基材側の表面に通じる空間には、前記接着剤が充填されている、
    ことを特徴とする積層体。
  4. 前記絶縁層は、体積比で60%以上85%以下の前記フィラーを含む、
    ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一つに記載の積層体。
  5. 基材と、回路と、前記基材と前記回路との間に設けられ、絶縁性のフィラーを含む絶縁層と、少なくとも前記基材と前記絶縁層とを接着する接着剤とを備える積層体における接着方法であって、
    前記絶縁層の前記基材の接着面に液状の前記接着剤を塗布し、前記絶縁層に形成される少なくとも一部の空間に前記接着剤を浸透させ、
    前記絶縁層の接着面と、前記基材の接着面とを重ねた後、高温下で加圧して、前記接着剤を硬化させる、
    ことを特徴とする接着方法。
  6. 絶縁層および接着剤からなり、
    前記絶縁層には、複数の空間が形成され、
    前記空間の少なくとも一部には接着剤が充填されている、
    ことを特徴する回路基板用半製品。
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