JP7036131B2 - 金属ベース基板 - Google Patents
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Description
本願は、2018年1月30日に日本に出願された特願2018-013889号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(1)0.1≦E≦1
(2)5≦T/E
(3)T/λ<20
この場合、絶縁層は、絶縁性が高い樹脂と熱伝導度が高いセラミック粒子とを含むので、絶縁性を維持しつつ、金属ベース基板全体の熱抵抗をより低減させることができる。
図1において、金属ベース基板1は、金属基板10と、絶縁層20と、密着層30と、金属箔40とがこの順で積層された積層体である。金属ベース基板1の金属箔40の表面には、電子部品50がはんだ60を介して接合されている。
絶縁層20の耐電圧性の低下を抑えるために、セラミック粒子22の比表面積は、10m2/g以上であることがより好ましく、50m2/g以上であることが特に好ましい。
BET径=6/(密度×BET比表面積)
また、セラミック粒子22は結晶性が高いことが好ましく、一次粒子が単結晶粒子であることがより好ましい。結晶性が高い単結晶のセラミック粒子は熱伝導性に優れるので、これを含む絶縁層20は熱伝導度がより効率的に向上する。
また、セラミック粒子22の凝集粒子の平均粒子径は、上記のBET径に対して、5倍以上であることが好ましく、5倍以上100倍以下の範囲内にあることが好ましい。また、凝集粒子の平均粒子径は、20nm以上500nm以下の範囲内にあることが好ましい。凝集粒子の平均粒子径が上記の範囲にあると、絶縁層20の熱伝導度を確実に向上させることができる。
絶縁層20の熱伝導性を確実に向上させるためには、セラミック粒子22の含有量は10体積%以上であることが好ましく、30体積%以上であることがより好ましい。また、絶縁層20の形状の安定性を確実に向上させ、表面粗さRaを低くするためには、セラミック粒子の含有量は50体積%以下であることが特に好ましい。
(1)E≦1
(2)5≦T/E
(3)T/λ<20
本実施形態の金属ベース基板1は、例えば、金属基板10の上に、絶縁層20と密着層30とをこの順で積層し、次いで密着層30の上に金属箔40を貼り付ける方法によって製造することができる。
塗布法は、絶縁層形成用の樹脂21とセラミック粒子22と溶剤とを含む絶縁層形成用塗布液を、金属基板10の表面に塗布して塗布層を形成し、次いで塗布層を加熱し、乾燥させて絶縁層20を金属基板10の上に形成する方法である。絶縁層形成用塗布液を、金属基板10の表面に塗布する方法としては、スピンコート法、バーコート法、ナイフコート法、ロールコート法、ブレードコート法、ダイコート法、グラビアコート法、ディップコート法などを用いることができる。
電着法は、絶縁層形成用の樹脂と極性溶媒と水と貧溶媒と塩基を含む電着液を、導体の表面に電着させて電着層を形成し、次いで電着層を加熱し、乾燥させて絶縁層20を金属基板10の上に形成する方法である。
(塗布法による絶縁層の形成)
容量300mLのセパラブルフラスコに、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、およびNMP(N-メチル-2-ピロリドン)を仕込んだ。NMP量は、得られるポリアミック酸の濃度が40質量%になるように調整した。常温で撹拌して、4,4’-ジアミノジフェニルエーテルを完全に溶解させた後、内温が30℃を超えないよう、所定量のテトラカルボン酸2無水物を少量ずつ添加した。その後、窒素雰囲気下で16時間の撹拌を続け、ポリアミック酸(ポリイミド前駆体)溶液を調製した。
密着層形成用の樹脂として、表2に記載の樹脂を用意した。用意した樹脂を、NMPに溶解させて、樹脂濃度が30質量%の密着層形成用塗布液を調製した。なお、本発明例7、8では、NMPに、樹脂(ポリイミド)とアルミナ粒子(比表面積:5.1m2/g)とを表2に記載の割合で混合した。
密着層の上に、厚み18μmで幅1cmの銅箔(CF-T4X-SV-18:福田金属箔粉工業(株)製)を重ね合わせ、次いで、カーボン治具を用いて5MPaの圧力を付与しながら、真空中にて215℃の温度で20分間加熱して、密着層と銅箔とを貼り合わせた。以上のようにして、銅基板と絶縁層と密着層と銅箔とがこの順で積層された金属ベース基板を作製した。
(電着法による絶縁層の形成)
セラミック粒子として、表1に示す比表面積を有するアルミナ粒子を用意した。用意したセラミック粒子1.0gを、NMP(N-メチル-2-ピロリドン)を62.5g、1M2P(1-メトキシ-2-プロパノール)を10g、AE(アミノエーテル)を0.22gの質量で含む混合溶媒に投入し、30分間超音波処理して、セラミック粒子分散液を調製した。
次いで、ポリアミドイミド溶液と調製したセラミック粒子分散液とを、固形物(絶縁層)中のポリアミドイミドとセラミック粒子の含有比率がそれぞれ表1に示す体積%となるように混合して、セラミック粒子分散ポリアミドイミド溶液を調製した。ただし、本発明例9、10は、本発明の発明例ではない。
密着層形成用の樹脂として、エポキシ樹脂を用意した。
絶縁層付き銅基板の絶縁層の上に、用意したエポキシ樹脂をスピンコート法により、表2に示すスピンコートの回転数とコーティング回数の条件で塗布して、密着層形成用塗布層を形成した。次いで、密着層形成用塗布層を形成した絶縁層付き銅基板を加熱し、密着層形成用塗布層を乾燥させて、絶縁層の上に表2に示す厚みの密着層を形成した。
密着層に、厚み18μmで幅1cmの銅箔(CF-T4X-SV-18:福田金属箔粉工業(株)製)を重ね合わせ、次いで、カーボン治具を用いて5MPaの圧力を付与しながら、真空中にて215℃の温度で20分間加熱して、密着層と銅箔とを貼り合わせた。以上のようにして、銅基板と絶縁層と密着層と銅箔とがこの順で積層された金属ベース基板を作製した。
本発明例1~10および比較例1~5で作製した金属ベース基板について、以下の項目を評価した。その結果を表3に示す。
絶縁層と密着層の厚みは、金属ベース基板を樹脂埋めした後、研磨して、金属ベース基板の断面を露出させ、露出した金属ベース基板断面を、レーザー顕微鏡で観察することによって測定した。
熱伝導度(絶縁層の厚さ方向の熱伝導度)は、NETZSCH-GeratebauGmbH製のLFA477 Nanoflashを用いて、レーザーフラッシュ法により測定した。測定は、密着層を形成する前の絶縁層付き銅基板を用いて行った。熱伝導度は、界面熱抵抗を考慮しない2層モデルを用いて算出した。なお、銅基板の厚みは既述したように0.3mm、銅基板の熱拡散率は117.2mm2/秒とした。絶縁層の熱伝導度の計算には、アルミナ粒子の密度3.89g/cm3、アルミナ粒子の比熱0.78J/gK、ポリアミドイミド樹脂の密度1.41g/cm3、ポリアミドイミド樹脂の比熱1.09J/gKを用いた。
金属ベース基板の銅箔をエッチングによって剥がし取って密着層を露出させた。露出した密着層のヤング率を、ナノインデンターを用いて測定した。押し込み深さは500nmとした。
熱伝導度(密着層の厚さ方向の熱伝導度)は、NETZSCH-GeratebauGmbH製のLFA477 Nanoflashを用いて、レーザーフラッシュ法により測定した。測定には、絶縁層を形成することなく、銅基板の上に直接密着層を形成したものを用いた。熱伝導度は、界面熱抵抗を考慮しない2層モデルを用いて算出した。なお、銅基板の厚みは既述したように0.3mm、銅基板の熱拡散率は117.2mm2/秒とした。絶縁層の熱伝導度の計算には、アルミナ粒子の密度3.89g/cm3、アルミナ粒子の比熱0.78J/gK、密着層を形成する樹脂の密度1.12g/cm3、密着層を形成する樹脂の比熱1.12J/gKを用いた。
金属ベース基板の銅箔上に、Sn-Ag-Cuはんだを塗布して、縦2.5cm×横2.5cm×厚み100μmのはんだ層を形成し、そのはんだ層の上に、2.5cm角のSiチップを搭載して、試験体を作製した。作製した試験体に、1サイクルが-40℃×30分間~150℃×30分間の冷熱サイクルを3000サイクル付与した。冷熱サイクル付与後の試験体を、樹脂埋めし、断面を研磨によって出した試料を用いて観察し、はんだ層に生じたクラックの長さ(mm)を測定した。はんだ層の一辺の長さと、測定したクラックの長さとから下記式より算出した値を、接合信頼性とした。
接合信頼性(%)={(はんだ層の一辺の長さ(25mm)-2×クラックの長さ)/接合層の一辺の長さ(25mm)}×100
金属ベース基板の銅箔上に、放熱シート(BFG-30A:デンカ株式会社製)を介して発熱体(TO-3P)を載置した。発熱体を載置した金属ベース基板を、発熱体の上部からトルク40Ncmのねじによって積層方向に加圧した。そして、T3Sterを用いて、発熱体から銅基板までの熱抵抗を測定した。発熱体の発熱条件は10A、30秒とし、熱抵抗の測定条件は、0.01A、測定時間60秒とした。同様の測定を、樹脂膜(絶縁層と密着層)を形成していない銅基板単体に対して行い、その熱抵抗を金属ベース基板の測定値から減じた値を、熱抵抗として表3に記載した。
10 金属基板
20 絶縁層
21 樹脂
22 セラミック粒子
30 密着層
40 金属箔
50 電子部品
60 はんだ
Claims (2)
- 金属基板と、絶縁層と、金属箔とがこの順で積層された金属ベース基板であって、
前記絶縁層と前記金属箔との間に密着層を有し、
前記密着層が、単位がGPaで表される25℃におけるヤング率をEとし、単位がμmで表される厚みをTとし、単位がW/mKで表される厚み方向の熱伝導率をλとしたときに下記の式(1)~式(3)を満足することを特徴とする金属ベース基板。
(1)0.1≦E≦1
(2)5≦T/E
(3)T/λ<20 - 前記絶縁層が、ポリイミド樹脂、またはポリアミドイミド樹脂、もしくはこれらの混合物からなる樹脂とセラミック粒子とを含み、前記セラミック粒子の比表面積が1m2/g以上であり、前記セラミック粒子の含有量が5体積%以上60体積%以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の金属ベース基板。
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