JPWO2010117023A1 - 金属ベース回路基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係る金属ベース回路基板は、金属基板と該金属基板上に積層された絶縁層と該絶縁層上に積層された回路形成用の導電箔とを有してなる金属ベース回路基板であって、前記金属基板が熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ以上で厚みが０．２〜５．０ｍｍであり、前記絶縁層が、非異方性の液晶ポリエステル溶液に熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤が分散されてなる絶縁材組成物を用いて形成されたものであることを特徴とする。本発明によれば、インバーターや高い放熱性を必要とする用途に適用可能な、高い熱伝導率を有すると同時に、熱安定性及び電気的信頼性の高い金属ベース回路基板を提供することができる。

Description

本発明は、放熱性が優れ、かつ高温下においても電気絶縁性、電気的信頼性の高い金属ベース回路基板およびその製造方法に関するものである。

半導体搭載用の回路基板においては、小型化、高密度実装化及び高性能化は、常に存在する要求であり、かかる回路基板は、回路基板に搭載される半導体素子の小型化技術の改良により、年を追う毎に小型化されてきている。

しかしながら、回路基板に搭載される半導体素子の小型化、高性能化、ハイパワー化が進むにつれて、半導体素子から発生した熱を如何に放散するかということが大きな問題となっており、特に高温環境下で用いられる回路基板において、その放熱性の向上が求められている。

上記高温環境下で用いられる回路基板には、主にセラミックベース回路基板が用いられている。このセラミックベース回路基板は、アルミナや窒化アルミニウムからなる基板を支持基板として用い、この支持基板の表面にメタライジング技術を用いて回路形成用の導電箔を積層した構成の回路基板である。

このセラミックベース回路基板は、高温環境下での耐久性が良好であるが、サイズの大きな製品を作りにくいという問題点がある。さらに、このセラミックベース回路基板は、セラミック基板自体が脆いため、車載用の電子製品用の電子部品などの振動の激しい状況下で使用される製品には使用することができず、また、材料価格が大変高く、製品価格の低減が困難であるという問題点もある。

一方、インバーターなど電源分野を中心に、放熱性に優れるという理由で、金属ベース回路基板が採用されてきている。金属ベース回路基板では、金属板上に絶縁層を形成し、この絶縁層上に回路形成用の導電箔を積層する構造とする必要がある。したがって、回路に接続された半導体素子から発生した熱は、絶縁層を構成する樹脂材料を介して金属基板に伝えられ、金属基板から放熱されることになる。ところが、絶縁層を構成する樹脂は、熱伝導率が低いため、金属ベース回路基板の放熱は、不十分なものとなっている。このように、金属ベース回路基板を高温環境下に置かれる電子部品用に用いることはできないのが、現状であり、製品価格の安価な金属ベース回路基板の放熱性の向上が期待されている。

そのため、従来から、金属ベース回路基板に対して、絶縁層の熱伝導率を高める様々な努力は進められている。

例えば、樹脂成分に、球状でかつ粒度分布の広い無機フィラーを６５〜８５体積％含有させることにより絶縁樹脂層中に無機フィラーを最密充填させ、熱伝導率の高い無機フィラー同士を樹脂層中で接触させることによって、熱放散性を向上させる試みがなされている（例えば、特許文献１）。この試みにより無機フィラーの充填性は向上し熱伝導率の上昇は図られたが、無機フィラー粒子同士の接触面積は小さく、達成される熱伝導率は５Ｗ／ｍＫと不十分なものである。また、絶縁層に占める樹脂成分量が少なくなるために樹脂層が脆くなり、得られる金属ベース回路基板の絶縁層の機械的強度が不十分となる問題が新たに発生してしまう。

一般に、絶縁層の熱伝導率を上げるには、無機充填剤粒子同士が接触する状態にならないと高まらない。したがって、絶縁層の熱伝導率を上げることを考慮すると、無機フィラーは最密充填構造に近い状態まで配合量を増やさなければならない。無機充填剤の配合量が増えた分だけ、絶縁層を構成する樹脂成分量が減少することになる。その結果、絶縁層と金属基板あるいは導電箔との接着性は大幅に低下することになる。また、樹脂成分量が減少することにより、絶縁層が脆くなるという問題点も発生する。この問題点は、樹脂成分として、熱硬化性のエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いた場合に、顕著となる。このような絶縁層は、極めて脆くなるため、このような絶縁層を有する金属ベース回路基板では、切断加工された時に、絶縁層のくずが発生しやすくなる。発生したくずがパーティクルとして基板を汚したり、プレス時に基板上載ったパーティクルが打痕として基板を傷つけるなどの加工上の問題が多くなる。

また、従来技術として、無機充填剤として熱伝導率の高い窒化ホウ素、ダイアモンド、酸化ベリリウムを用い、樹脂成分としてエポキシ樹脂を用いた金属ベース回路基板が開示されている（特許文献２）。
しかし、前述のように、熱伝導率の高い無機充填剤を最密充填したとしても、無機充填剤同士の接触面積の向上はわずかなものであり、大部分の熱は、樹脂層を通過することになる。しかし、樹脂の熱伝導率は低いため、熱は樹脂層に、遮られてしまう。特許文献２に開示の構成でも、樹脂成分は、熱伝導率の低い非晶性のエポキシ樹脂であり、この樹脂層により熱の伝導が寸断されてしまい絶縁層の全体の熱伝導率は高くとも１２．４Ｗ／ｍＫである。

また、従来技術として、樹脂成分として、ビスマレイイミドトリアジン（ＢＴレジン）又はポリフェニレンオキサイドの何れかを用い、無機充填剤として、アルミナ又は窒化アルミニウムを用いる構成が開示されている（特許文献３）。
ＢＴレジンのような剛直な樹脂を選んでも、樹脂が非晶性のため熱伝導率が低く、前述のように樹脂成分が伝熱経路の妨げとなることに変わりなく、得られる絶縁層の熱伝導率は高くとも７．５Ｗ／ｍＫ程度である。

また、従来技術として、樹脂成分として、異方性を示す溶融成型可能なサーモトロピック液晶ポリエステルを用い、充填剤として、熱伝導率が３００°Ｋで１０Ｗ／ｍＫ以上の充填剤を用いた構成の絶縁層を有する電気部品基板が開示されている（特許文献４）。

この技術では、溶融樹脂に無機充填剤を配合することで樹脂の溶融粘度が極めて高くなってしまうため、無機充填剤の配合量を高めることが出来ず、そのため絶縁層の熱伝導率を高めることができていない。

さらに、押出成形に際しても樹脂の粘度が高いため１００〜２００μｍ程度の薄いフィルムは成形できない。金属ベース基板の絶縁層の厚みは好ましくは５０〜２００μｍであるので、特許文献４に記載の材料は金属ベース回路基板の絶縁層には全く適合性が無い。このことは、特許文献４の実施例１に開示されているように、液晶ポリエステルに対しアルミナの配合量は３５容量％と少なく、押出し厚みは０．４ｍｍと厚く、熱伝導率は１．５Ｗ／ｍＫと低い値となっていることから、確認できる。

また、異方性を示す液晶ポリエステルを押出成形すると、ポリマーは押出方向に配向するため熱伝導率も長さ方向に高く厚み方向に低くなる。金属ベース回路基板においては、回路に生じる熱は、絶縁層上の回路層から絶縁層を縦（厚み方向）に横切るように金属基板に向かって流れるので、絶縁層はその厚み方向の熱伝導率が高いことが好ましい。しかし、この特許文献４の構成では、絶縁層の厚み方向の熱伝導率は、低くなるので、金属ベース回路基板の放熱性は、不十分なものとならざるを得ない。

特開平５−１６７２１２号公報 特開平７−３２０５３８号公報 特開平６−１８８５３０号公報 特公平６−０８２８９３号公報

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたもので、その課題は、インバーターや高い放熱性を必要とする用途に適用可能な、高い熱伝導率を有すると同時に、熱安定性及び電気的信頼性の高い金属ベース回路基板を提供することにある。

また、セラミックベース回路基板は、耐熱性に優れるという利点を有する一方で、大型基板を作りにくく、衝撃に対し弱いという欠点を持つが、これに対応して、前記欠点を持たず、セラミックベース回路基板と同じ用途分野に使用することのできる、耐熱性と絶縁性と信頼性を併せ持つ金属ベース回路基板を提供することも、本発明の課題である。本発明の金属ベース回路基板の用途は、自動車用途の基板に用いられ、例えば、電動パワーステアリングコントロールユニット、ＬＥＤヘッドアップディスプレー、オートマチックトランスミッション、ＡＢＳモジュール、エンジン制御コントロールユニット、ＬＥＤメーターパネルなどが例示できる。その他用途として、ＬＥＤ照明器具、ＬＥＤ表示板のバックライトなどの基板や、エレベータ、電車などのパワー系基板にも用いられる。

上記課題を解決するために、本発明に係る金属ベース回路基板は、金属基板と該金属基板上に積層された絶縁層と該絶縁層上に積層された回路形成用の導電箔とを有してなる金属ベース回路基板であって、前記金属基板が熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ以上で厚みが０．２〜５．０ｍｍであり、前記絶縁層が、非異方性の液晶ポリエステル溶液に熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤が分散されてなる絶縁材組成物を用いて形成されたものであることを特徴とする。

上記構成において、絶縁層を構成する絶縁材の熱伝導率が６〜３０Ｗ／ｍＫであることが、好ましい。

また、本発明に係る金属ベース回路基板の製造方法は、上記本発明に係る金属ベース回路基板の製造方法であって、非異方性の液晶ポリエステル溶液と熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤とからなる絶縁材組成物を、熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ以上で厚み０．２〜５．０ｍｍの金属基板の表面に塗工して絶縁塗膜を形成する絶縁塗膜形成工程と、前記絶縁塗膜を乾燥して絶縁材層を形成する絶縁材層形成工程と、前記絶縁材層を熱処理し、分子量を増加させて絶縁層を得る絶縁層形成工程と、前記金属基板の表面に形成された前記絶縁層の露出面に前記導電箔を密着させて前記金属基板と導電箔との間に絶縁層を設けた積層構造を構成する積層工程と、前記積層工程の後に、前記絶縁層を加熱することにより絶縁層と前記金属基板および導電箔との接着を行う熱接着工程と、を有することを特徴とする。

上記本発明に係る金属ベース回路基板の製造方法の他の構成は、非異方性液晶ポリエステル溶液と熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤とからなる絶縁材組成物を、導電箔の表面に塗工して絶縁塗膜を形成する絶縁塗膜形成工程と、前記絶縁塗膜を乾燥して絶縁材層を形成する絶縁材層形成工程と、前記絶縁材層を熱処理し、分子量を増加させて絶縁層を得る絶縁層形成工程と、前記導電箔の表面に形成された前記絶縁層の露出面を前記金属基板の表面に密着させて前記金属基板と導電箔との間に絶縁層を設けた積層構造を構成する積層工程と、前記積層工程の後に、前記絶縁層を加熱することにより絶縁層と前記金属基板および導電箔との接着を行う熱接着工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る金属ベース回路基板によれば、絶縁層を構成する絶縁材として熱伝導率の高い液晶ポリマーをマトリックス（母材）として用いるため、導電箔からの熱を金属基板に伝達する絶縁層の熱伝導率を大幅に向上させることができ、金属基板が有する高い熱放散性を最大限に活用できる。

また、本発明に係る金属ベース回路基板の製造方法によれば、液晶ポリエステル溶液を用いており、この液晶ポリマー溶液は、容易に大量の無機充填剤を配合することでき、そのため、樹脂成分中に所望量の無機充填剤を均等に分散させることができ、その結果、高い熱伝導率の製品を得ることができる。

さらに、本発明によれば、絶縁層の母材を構成する樹脂成分自体の熱伝導率が高いため、無機充填剤の配合量を低減しても、絶縁層の熱伝導率を高い状態に維持でき、その結果、絶縁層の熱伝導性の向上と、絶縁層の絶縁性および機械的強度の確保とを同時に実現することができる。

したがって、本発明により得られる製品は、高い放熱性を有するとともに、機械的強度にも優れるので、切断加工やプレス加工にも対応でき、安価に得ることができ、セラミックベース回路基板が主力であった分野を含む広い分野に適用可能である。

前述のように、本発明に係る金属ベース回路基板は、大きく３種類の構成要素、すなわち、金属基板と、該金属基板上に積層された絶縁層と、該絶縁層上に積層された回路形成用の導電箔とを有する。以下、これらの構成要素について、順次、詳細に説明する。

（金属基板）
本発明で用いられる金属基板としては、熱伝導率６０Ｗ/ｍＫ以上の金属板が用いられる。かかる金属基板を構成する金属材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、銅、ステンレス、あるいはこれらの合金、熱伝導率の高いカーボンを複合化した変性アルミニウムなどを挙げることができる。該金属基板の厚みは、０．２〜５ｍｍとすることが好ましい。

（導電箔）
本発明の金属ベース回路基板に用いる導電箔としては、銅箔、アルミニウム箔が好ましく、その厚みは、１０〜４００μｍとすることが好ましい。

（絶縁層）
絶縁層は、後述の特定の絶縁材組成物を導電箔又は金属基板の一方の表面（接着面）に塗布し、この塗膜を乾燥した後、乾燥によって得られた絶縁材層を熱処理し、絶縁材層を構成する樹脂成分の分子量が熱処理によって増加することにより得られる。
前記塗膜が形成されない他方である導電箔又は金属基板の積層は、前記熱処理により絶縁層が形成された後に行う。
また、本発明に用いる絶縁層は、フィルム状に別体として形成したものを用いてもよい。この場合、フィルム状の絶縁層を導電箔と金属基板との間に配置し、この積層体を加熱することにより導電箔および金属基板への接着を実現する。熱処理に関しては、温度を２５０〜３５０℃で１時間から１０時間行なうことが好ましい。
なお、前記熱接着時には、積層体を厚み方向に加圧することが好ましい。

（絶縁材組成物）
前記絶縁層を形成するために用いられる絶縁材組成物は、非異方性液晶ポリエステル溶液と熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤とから構成される。非異方性ポリエステル溶液は、液晶ポリエステルを溶剤に溶かし、必要に応じて他の添加剤を配合してなるポリマー溶液である。

（液晶ポリエステル）
本発明に用いられる液晶ポリエステルは、溶融時に光学異方性を示し、４５０℃以下の温度で異方性溶融体を形成するものである。
この異方性溶融体を形成する液晶ポリエステルは、下記一般式（１）で表される構造単位と、下記一般式（２）で表される構造単位と、下記一般式（３）で表される構造単位とを有する。
−Ｏ−Ａｒ¹−ＣＯ− （１）
−ＣＯ−Ａｒ²−ＣＯ− （２）
−Ｘ−Ａｒ³−Ｙ− （３）
（式（１）中のＡｒ¹は、フェニレンまたはナフチレンであり、式（２）中のＡｒ²は、フェニレン、ナフチレン又は下記式（４）で表される基であり、式（３）中のＡｒ³は、フェニレン又は下記式（４）で表される基であり、ＸおよびＹはＯ又はＮＨを表わし、ＸとＹが同じ構成であってもよい。なお、Ａｒ¹、Ａｒ²及びＡｒ³の芳香環に結合している水素原子は、ハロゲン原子、アルキル基又はアリール基で置換されていてもよい。）
−Ａｒ¹¹−Ｚ−Ａｒ¹²− （４）
（式（４）中、Ａｒ¹¹及びＡｒ¹²はそれぞれ独立に、フェニレン又はナフチレンを表す。ＺはＯ、ＣＯ又はＳＯ₂を表す。）

上記一般式（１）〜（３）で表される各構造単位の配合比率は、全構造単位の合計に対して、一般式（１）で表される構造単位が３０．０〜４５．０モル％、一般式（２）で表される構造単位が２７．５〜３５．０モル％、一般式（３）で表される構造単位が２７．５〜３５．０モル％であることが好ましい。

また、本発明で用いられる液晶ポリエステルは、芳香族ジアミン由来の構成単位及び水酸基を有する芳香族アミン由来の構成単位からなる群より選ばれる少なくとも一種の構成単位（ａ）を、全構成単位に対して２７．５〜３５．０モル％含むポリマーであると好ましい。特に、前記構成単位（ａ）を、上記一般式（３）で表される構成単位として、有していると、上述した効果、すなわち、「溶融時に光学異方性を示し、４５０℃以下の温度で異方性溶融体を形成する」という効果がより良好に得られるようになる傾向にある。

一般式（１）で表される構造単位は、芳香族ヒドロキシカルボン酸由来の構造単位であり、一般式（２）で表される構造単位は、芳香族ジカルボン酸由来の構造単位であり、一般式（３）で表される構造単位は、芳香族ジアミンまたはフェノール性水酸基を有する芳香族アミンに由来の構造単位である。このような構造単位（１）〜（３）をそれぞれ誘導する化合物をモノマーとして用い、それらのモノマーを重合することにより、本発明に用いる液晶ポリエステルが得られる。

なお、本発明に用いる芳香族液晶ポリエステルを得る重合反応の進行を容易にする観点からは、上述のモノマーの代わりに、それらのエステル形成性誘導体やアミド形成性誘導体を用いてもよい。

上記カルボン酸のエステル形成性・アミド形成性誘導体としては、例えば、カルボキシル基が、ポリエステルやポリアミドを生成する反応を促進するような、酸塩化物、酸無水物などの反応活性が高い誘導体となっているもの、カルボキシル基が、エステル交換・アミド交換反応によりポリエステルやポリアミドを生成するようなアルコール類やエチレングリコールなどとエステルを形成しているもの等が挙げられる。

また、上記フェノール性水酸基のエステル形成性・アミド形成性誘導体としては、例えば、エステル交換反応によりポリエステルやポリアミドを生成するように、フェノール性水酸基がカルボン酸類とエステルを形成しているもの等が挙げられる。

また、上記アミノ基のアミド形成性誘導体としては、例えば、アミド交換反応によりポリアミドを生成するように、アミノ基がカルボン酸類とエステルを形成しているもの等が挙げられる。

上記一般式（１）〜（３）で示される構造単位としては、具体的には、下記のものを例示することができるが、これらに限定されるものではない。

一般式（１）で表される構造単位としては、例えば、ｐ−ヒドロキシ安息香酸、６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸および４−ヒドロキシ−４’−ビフェニルカルボン酸から選ばれる芳香族ヒドロキシカルボン酸に由来の構造単位等が挙げられ、これらの構造単位のうち、２種以上の構造単位が含まれていてもよい。特に、ｐ−ヒドロキシ安息香酸由来の構造単位または２−ヒドロキシ−６−ナフトエ酸由来の構造単位を有する芳香族液晶ポリエステルを用いることが好ましい。

全構造単位の合計に対して、一般式（１）で表される構造単位の配合量は、３０．０〜４５．０モル％であり、より好ましくは３５．０〜４０．０モル％の範囲である。

一般式（１）で表される構造単位が４５．０モル％を超えると、後述する非プロトン性溶媒に対する溶解性が低下し、３０．０モル％未満では、ポリエステルの液晶性を示さない傾向があるため、いずれも好ましくない。

次に、一般式（２）で示される構造単位としては、例えば、テレフタル酸、イソフタル酸および２，６−ナフタレンジカルボン酸から選ばれる芳香族ジカルボン酸に由来の構造単位等が挙げられ、これらの構造単位のうち、２種以上の構造単位が含まれていてもよい。とりわけ、後述する非プロトン性溶媒に対する溶解性の観点からは、イソフタル酸由来の構造単位を有する液晶ポリエステルを用いることが好ましい。

全構造単位の合計に対して、一般式（２）で表される構造単位の配合量は、２７．５〜３５．０モル％であり、より好ましくは３０．０〜３２.５モル％の範囲である。

一般式（２）で表される構造単位が３５．０モル％を超えると、液晶性が低下する傾向があり、２７．５モル％未満では前記非プロトン性溶媒に対する溶解性が低下する傾向があるため、いずれも好ましくない。

次に、一般式（３）で表される構造単位としては、例えば、３−アミノフェノールまたは４−アミノフェノールに例示されるフェノール性水酸基を有する芳香族アミン由来構造単位であるか、１，４−フェニレンジアミンまたは１，３−フェニレンジアミンに例示される芳香族ジアミン由来の構造単位を挙げることができ、これらの構造単位のうち、２種以上の構造単位が含まれていてもよい。中でも、液晶ポリエステル製造に係る重合反応性の観点から、４−アミノフェノール由来の構造単位を有する液晶ポリエステルを用いることが好ましい。

全構造単位の合計に対して、一般式（３）で表される構造単位の配合量は、２７．５〜３５．０モル％であり、より好ましくは３０．０〜３２.５モル％の範囲である。

一般式（３）で表される構造単位が３５．０モル％を超えると、液晶性が低下する傾向があり、２７．５モル％未満では前記非プロトン性溶媒に対する溶解性が低下する傾向があり、いずれも好ましくない。

なお、一般式（３）で表される構造単位と、一般式（２）で表される構造単位とは、実質的に等量であることが好ましいが、一般式（３）で表される構造単位を一般式（２）で表される構造単位に対して、−１０モル％〜＋１０モル％とすることにより、芳香族液晶ポリエステルの重合度を制御することもできる。

前記芳香族液晶ポリエステルの製造方法は、特に限定されないが、例えば、一般式（１）で表される構造単位に対応する芳香族ヒドロキシカルボン酸、一般式（３）で表される構造単位に対応する水酸基を有する芳香族アミン、芳香族ジアミンのフェノール性水酸基やアミノ基を、過剰量の脂肪酸無水物によりアシル化してアシル化物（エステル形成性誘導体やアミド形成性誘導体）を得、得られたアシル化物と、一般式（２）で表される構造単位に対応する芳香族ジカルボン酸とをエステル交換（重縮合）して溶融重合する方法などが挙げられる。

上記アシル化物としては、予めアシル化して得た脂肪酸エステルを用いてもよい（特開２００２−２２０４４４号公報、特開２００２−１４６００３号公報参照）。

上記アシル化反応においては、脂肪酸無水物の添加量は、フェノール性水酸基とアミノ基の合計に対して、１．０〜１．２倍当量であることが好ましく、より好ましくは１．０５〜１．１倍当量である。
脂肪酸無水物の添加量が１．０倍当量未満では、エステル交換（重縮合）時にアシル化物や原料モノマーなどが昇華し、反応系が閉塞し易い傾向がある。また、１．２倍当量を超える場合には、得られる芳香族液晶ポリエステルの着色が著しくなる傾向がある。

上記アシル化反応は、１３０〜１８０℃で５分〜１０時間反応させることが好ましく、１４０〜１６０℃で１０分〜３時間反応させることがより好ましい。

上記アシル化反応に使用される脂肪酸無水物は，特に限定されないが、例えば、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、無水イソ酪酸、無水吉草酸、無水ピバル酸、無水２エチルヘキサン酸、無水モノクロル酢酸、無水ジクロル酢酸、無水トリクロル酢酸、無水モノブロモ酢酸、無水ジブロモ酢酸、無水トリブロモ酢酸、無水モノフルオロ酢酸、無水ジフルオロ酢酸、無水トリフルオロ酢酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水β−ブロモプロピオン酸などが挙げられ、これらは２種類以上を混合して用いてもよい。
これらの中でも、価格と取り扱い性の観点から、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、無水イソ酪酸が好ましく、より好ましくは、無水酢酸である。

上記エステル交換・アミド交換においては、アシル化物のアシル基がカルボキシル基の０．８〜１．２倍当量であることが好ましい。

また、上記エステル交換・アミド交換は、１３０〜４００℃で０．１〜５０℃／分の割合で昇温しながら行うことが、好ましく、１５０〜３５０℃で０．３〜５℃／分の割合で昇温しながら行うことが、より好ましい。

上記アシル化して得た脂肪酸エステルと、カルボン酸やアミンとをエステル交換・アミド交換させる際、平衡を移動させるため、副生する脂肪酸と未反応の脂肪酸無水物は、蒸発させるなどして系外へ留去することが好ましい。

なお、アシル化反応、エステル交換・アミド交換は、触媒の存在下に行ってもよい。該触媒としては、ポリエステルの重合用触媒として慣用のものを使用することができ、例えば、酢酸マグネシウム、酢酸第一錫、テトラブチルチタネート、酢酸鉛、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、三酸化アンチモンなどの金属塩触媒、Ｎ,Ｎ-ジメチルアミノピリジン、Ｎ―メチルイミダゾールなどの有機化合物触媒などを挙げることができる。

上記触媒の中でも、Ｎ,Ｎ-ジメチルアミノピリジン、Ｎ―メチルイミダゾールなどの窒素原子を２個以上含む複素環状化合物が好ましく使用される（特開２００２−１４６００３号公報参照）。

上記触媒は、通常、モノマー類の投入時に投入され、アシル化後も除去することは必ずしも必要ではなく、該触媒を除去しない場合にはそのままエステル交換を行うことができる。

上記エステル交換・アミド交換による重合は、通常、溶融重合により行なわれるが、溶融重合と固相重合とを併用してもよい。固相重合は、溶融重合工程からポリマーを抜き出し、その後、粉砕してパウダー状もしくはフレーク状にした後、公知の固相重合方法により行うことができる。具体的には、例えば、窒素等の不活性雰囲気下、２０〜３５０℃で、１〜３０時間固相状態で熱処理する方法が挙げられる。固相重合は、攪拌しながらでも、攪拌することなく静置した状態で行ってもよい。
なお適当な攪拌機構を備えることにより溶融重合槽と固相重合槽とを同一の反応槽とすることもできる。
固相重合後、得られた芳香族液晶ポリエステルは、公知の方法によりペレット化し、成形してもよい。

上記芳香族液晶ポリエステルの製造は、例えば、回分装置、連続装置等を用いて行うことができる。

また、上記芳香族液晶ポリエステルとしては、下記の方法で求められる流動開始温度が２６０℃以上であると、得られる芳香族液晶ポリエステルと金属箔等の導電層となり得る基材との間に、そして金属基板との間に、より高度の密着性が得られるため、好ましい。

さらに、上記流動開始温度は２５０℃以上３００℃以下であることが、より好ましい。流動開始温度が２５０℃以上であれば、上述のように、導電箔および金属基板のそれぞれと芳香族液晶ポリエステルとの密着性がより向上する傾向があり、逆に、流動開始温度が３００℃以下であれば溶媒への溶解性がより向上する傾向が見られる。かかる観点から、流動開始温度が２６０℃以上２９０℃以下の範囲であることが、さらに好ましい。

上記流動開始温度とは、フローテスターによる溶融粘度の評価において、かかる芳香族ポリエステルの溶融粘度が９．８ＭＰａの圧力下で４８００Ｐａ・ｓ以下になる温度をいう。

なお、１９８７年発行の書籍「液晶ポリマー−合成・成形・応用−」（小出直之編、９５〜１０５頁、シーエムシー、１９８７年６月５日発行）によれば、１９７０年代に液晶ポリエステル樹脂が開発されて以降、液晶ポリエステル樹脂の分子量の目安として、フロー温度（本発明における流動開始温度と同等の定義）が用いられている。

上記芳香族液晶ポリエステルの流動開始温度を制御する方法としては、例えば、溶融重合工程からポリマーを抜き出し、そのポリマーを粉砕してパウダー状もしくはフレーク状にした後、公知の固相重合方法により流動開始温度を調整することで容易に実施できる。

より具体的には、例えば、溶融重合工程の後、窒素等の不活性雰囲気下、２１０℃を越える温度で、より好ましくは２２０℃〜３５０℃の温度で、１〜１０時間、固相状態で熱処理する方法によって得られる。固相重合は、攪拌しながらでも、攪拌することなく静置した状態で行ってもよい。例えば、窒素の不活性雰囲気下で攪拌することなく静置した状態で、温度２２５℃３時間の条件下で固相重合を行う方法が挙げられる。

（非異方性液晶ポリエステル溶液の溶媒）
上述の液晶ポリエステルを溶解して本発明に用いる非異方性液晶ポリエステル溶液を得るための溶媒としては、ハロゲン原子を含まない非プロトン性溶媒を用いることが好ましい。

上記ハロゲン原子を含まない非プロトン性溶媒とは、例えば、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサンなどのエーテル系溶媒、アセトン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、酢酸エチルなどのエステル系溶媒、γ―ブチロラクトンなどのラクトン系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、トリエチルアミン、ピリジンなどのアミン系溶媒、アセトニトリル、サクシノニトリルなどのニトリル系溶媒、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、Ｎ−メチルピロリドンなどのアミド系溶媒、ニトロメタン、ニトロベンゼンなどのニトロ系溶媒、ジメチルスルホキシド、スルホランなどのスルフィド系溶媒、ヘキサメチルリン酸アミド、トリｎ−ブチルリン酸などのリン酸系溶媒などが挙げられる。

これらの中で、双極子モーメントが３以上５以下の溶媒を用いると、前記の芳香族液晶ポリエステルの溶解性の観点から好ましく、具体的には、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、Ｎ−メチルピロリドン等のアミド系溶媒、γ―ブチロラクトン等のラクトン系溶媒が好ましく、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）がより好ましい。更には、前記溶媒が、１気圧における沸点が１８０℃以下の揮発性の高い溶媒であると、芳香族液晶ポリエステル溶液を含む絶縁材組成物を塗膜とした後、該塗膜から溶媒を除去しやすいという利点もある。この観点からは、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）が特に好ましい。

本発明に用いられる非異方性液晶ポリエステル溶液は、上記芳香族液晶ポリエステルが、前述の非プロトン性溶媒１００重量部に対して１０〜５０重量部、好ましくは２０〜４０重量部含有される。

芳香族液晶ポリエステルが１０重量部未満であると、溶媒分が多く、乾燥除去時に塗膜の外観不良が起きやすい。芳香族液晶ポリエステルが５０重量部を超えると、芳香族液晶ポリエステル溶液が高粘度化する傾向があり、取り扱い性が低下する。前記溶液組成物における芳香族液晶ポリエステル含有量は、その溶液粘度のバランスから上記範囲で適宜最適化できるが、非プロトン性溶媒１００重量部に対して、芳香族液晶ポリエステルが２０〜４０重量部であることがより好ましい。

本発明の金属ベース回路基板の絶縁層の母材として用いる上記液晶ポリエステルは、熱硬化前の分子量は比較的小さいため、比較的容易に溶液とすることができ、容易に塗膜を形成することができる。そして、塗膜とした後、乾燥し、その後、熱処理することにより、塗膜を構成する樹脂の分子量を増加させることができ、その結果、得られる絶縁層は、機械的強度に優れたものとなる。

また、上記液晶ポリエステルは熱可塑性のため、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂の保管による経時変化がないため、工業製品として安心して使える。更に熱可塑性であるため、配向を十分発達させることが可能であり、分子量を十分高める加熱プロセスをとることでフォノン伝導のパス長さが長く取れるため大幅に熱伝導率を高めることが可能となり、合わせて強靭で接着力の高い絶縁層を構成することができる。したがって、この液晶ポリエステルを母材として用いて絶縁層を構成することにより、金属ベース回路基板の加工性を満足しつつ品質面や電気的信頼性の高い製品が得られる。

（無機充填剤）
本発明に用いる無機充填剤としては、３０Ｗ/ｍＫ以上の熱伝導率と絶縁性に優れたものを選ぶ必要がある。アルミナ、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、水酸化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などの粒子が好ましい。

粒子の形状は、上記非異方性液晶ポリエステル溶液に配合して調整した絶縁材組成物の粘度が高まらないことや、液晶ポリエステル樹脂の中で無機充填剤の粒子が密に充填しやすいことを考慮すると、球状が好ましい。球状でない場合には、無機充填剤を微粉末にした後、パウダースプレー法により略球状に成形したものが好ましい。

これらの無機充填剤は樹脂との密着性や分散性を向上させるために、表面処理剤で無機充填剤粒子の表面を処理することが望ましい。表面処理剤としては、シランカップリング剤、チタンカップリング剤、アルミニウムやジルコニウム系のカップリング剤、長鎖脂肪酸、イソシアナート化合物、エポキシ基やメトキシシラン基、アミノ基、水酸基などを含んだ極性高分子や反応性高分子などが好ましい。

（金属ベース回路基板の製造プロセス）
上記樹脂成分（液晶ポリエステル）と、上記無機充填剤と、必要に応じて他の添加剤を前記溶剤に溶解・分散させてワニス（絶縁材組成物）とし、金属箔または金属基板およびその他の基材に塗布し、加熱により溶剤を除去して絶縁層を形成する。

上記無機充填剤は均一に分散させることが大切であり、そのために、例えば、まず、溶剤に、樹脂成分と、シランカップリング剤、チタンカップリング剤などのカップリング剤と、必要によりイオン吸着剤等を添加し、これらを溶剤に溶解、分散させる。その後、無機充填材を適当量添加してボールミル、３本ロール、遠心攪拌機およびビーズミル等により充填剤を粉砕しつつ、樹脂溶液中に分散させる。

得られた絶縁材組成物の塗工方法は、ロールコート、バーコートおよびスクリーン印刷等で行い、連続式および単板式塗工が可能である。
連続式塗工の基材に銅箔を用いることにより絶縁層付きの金属導体箔とすることができる。
また、単板式塗工には、鉄、銅およびアルミニウム板等を用いることも可能である。

上記構成が絶縁層の形成に焦点を当てた場合の、本願発明に係る金属ベース回路基板の製造方法の基本的構成であるが、導電箔、絶縁層、および金属基板という主構成要素の積層順序を含めた全体の製造方法を考慮した場合、以下の３通りのプロセスが考えられる。

（第１のプロセス）
第１のプロセスは、非異方性液晶ポリエステル溶液と熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤とからなる絶縁材組成物を、熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ以上で厚み０．２〜５．０ｍｍの金属基板の表面に塗工して絶縁塗膜を形成する絶縁塗膜形成工程と、前記絶縁塗膜を乾燥して絶縁材層を形成する絶縁材層形成工程と、前記絶縁材層を熱処理し、分子量を増加させて絶縁層を得る絶縁層形成工程と、前記金属基板の表面に形成された前記絶縁層の露出面に前記導電箔を密着させて前記金属基板と導電箔との間に絶縁層を設けた積層構造を構成する積層工程と、前記積層工程の後に、前記絶縁層を加熱することにより絶縁層と前記金属基板および導電箔との接着を行う熱接着工程と、を有するプロセスである。

（第２のプロセス）
第２のプロセスは、非異方性液晶ポリエステル溶液と熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤とからなる絶縁材組成物を、導電箔の表面に塗工して絶縁塗膜を形成する絶縁塗膜形成工程と、前記絶縁塗膜を乾燥して絶縁材層を形成する絶縁材層形成工程と、前記絶縁材層を熱処理し、分子量を増加させて絶縁層を得る絶縁層形成工程と、前記導電箔の表面に形成された前記絶縁層の露出面を前記金属基板の表面に密着させて前記金属基板と導電箔との間に絶縁層を設けた積層構造を構成する積層工程と、前記積層工程の後に、前記絶縁層を加熱することにより絶縁層と前記金属基板および導電箔との接着を行う熱接着工程と、を有するプロセスである。

（第３のプロセス）
第３のプロセスは、非異方性液晶ポリエステル溶液と熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤とからなる絶縁材組成物を、別体の支持基材の表面に塗工し、得られた絶縁塗膜を乾燥し、乾燥した絶縁塗膜を熱処理し、分子量を増加させて絶縁層用のフィルムを得る絶縁層形成工程と、前記フィルム状の絶縁層を前記支持基材から剥離し、導電箔と金属基板との間に配置し、前記金属基板と導電箔との間に絶縁層を設けた積層構造を構成する積層工程と、前記絶縁層を加熱することにより絶縁層と前記金属基板および導電箔との接着を行う熱接着工程と、を有するプロセスである。

上記各プロセスにおいて、絶縁層を加熱することにより導電箔および金属基板に接着しているが、これは、絶縁材組成物を構成する液晶ポリエステルが熱可塑性樹脂であるためであり、熱接着という簡易な方法により、積層の各層間の接着が確実に行われる。

上記３種類のプロセスのどのプロセスを用いても、本願発明に係る金属ベース回路基板を製造することができる。

以上説明したように、本発明によれば、絶縁層の母材とする樹脂成分として熱伝導性の高い液晶ポリエステルを用い、これに熱伝導性の無機充填剤を配合するため、絶縁層の熱伝導率を大幅に向上させることができる。
また、絶縁層の母材である樹脂成分の熱伝導率が大幅に向上されることに応じて無機充填剤の配合量を過度に増大させる必要がなくなり、樹脂成分量を多くして絶縁層の絶縁性および機械的強度を向上させることも可能になる。
さらに、液晶ポリエステルは、金属に対する熱接着性に優れているため、接着剤などの接着手段を用いた接着専用の工程を必要としないので、製造が容易であり、かつ経済的効果が得られる。
このように本発明に係る金属ベース回路基板は、放熱性が高いために電気的信頼性が高く、しかも絶縁層の絶縁性および機械的強度が高いので、インバーターなどに使われているセラミック基板の用途に安価な代替え製品として適用することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。以下に示す実施例は、本発明を説明するための好適な例示であって、なんら本発明を限定するものではない。

〔１〕液晶ポリエステルの製造
攪拌装置、トルクメータ、窒素ガス導入管、温度計及び還流冷却器を備えた反応器に、６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸１９７６ｇ（１０．５モル）、４−ヒドロキシアセトアニリド１４７４ｇ（９．７５モル）、イソフタル酸１６２０ｇ（９．７５モル）及び無水酢酸２３７４ｇ（２３．２５モル）を仕込んだ。反応器内を十分に窒素ガスで置換した後、窒素ガス気流下で１５分かけて１５０℃まで昇温し、その温度を保持して３時間還流させた。

その後、留出する副生酢酸及び未反応の無水酢酸を留去しながら、１７０分かけて３００℃まで昇温し、トルクの上昇が認められる時点を反応終了とみなし、内容物を取り出した。取り出した内容物を室温まで冷却し、粉砕機で粉砕後、比較的低分子量の液晶ポリエステルの粉末を得た。得られた粉末を島津製作所フローテスターＣＦＴ−５００により流動開始温度を測定したところ、２３５℃であった。この液晶ポリエステル粉末を、窒素雰囲気において２２３℃３時間で加熱処理するといった固相重合を行った。固相重合後の液晶ポリエステルの流動開始温度は２７０℃であった。

〔２〕液晶ポリエステル溶液Ａの調製
前記〔１〕で得られた液晶ポリエステル２２００ｇを、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド(ＤＭＡｃ)７８００ｇに加え、１００℃で２時間加熱して液晶ポリエステル溶液Ａを得た。この溶液組成物の溶液粘度は３２０ｃＰであった。なお、この溶融粘度は、Ｂ型粘度計（東機産業製、「ＴＶＬ−２０型」、ローターＮｏ．２１（回転数：５ｒｐｍ）を用いて、測定温度２３℃で測定した値である。

（実施例１）
固形分２２％の液晶ポリエステル溶液Ａ：１００部に対して、球状アルミナ（昭和電工社製、商品名「ＡＳ−４０」、平均粒径１１μｍ）を体積充填率で６５％配合し絶縁材溶液を作製した。この絶縁材溶液を遠心式攪拌脱泡機で５分攪拌した後、厚み７０μmの銅箔上に約３００μmの厚みで塗布した。これを１００℃で２０分乾燥後、３２０℃で３時間熱処理した。金属基板として熱伝導率１４０Ｗ／ｍＫ、厚み２．０ｍｍのアルミニウム合金に絶縁材組成物を塗布した上記銅箔を積層し、圧力５０ｋｇ／ｃｍ^２、温度３４０℃で２０分加熱処理して、熱接着した。
得られた金属ベース回路基板をサンプルとして、熱伝導率、半田耐熱性、耐電圧性、Ｔピール強度の各性能をそれぞれ以下の測定条件にて評価した。

（熱伝導率）
基板サイズ３０×４０ｍｍ、ランドサイズ１４×１０ｍｍの基板に半田でトランジスタＣ２２３３を取り付けた。該基板裏面に熱伝導性のシリコーングリースを使い水冷却装置にセットして３０Ｗの電力を供給したとき発熱するトランジスタ表面と冷却装置の温度を測定した。熱抵抗値＝｛（トランジスタ表面温度）−（冷却装置表面温度）｝／負荷電力 から算出した。熱抵抗値より換算式を用いて熱伝導率を算出した。

（半田耐熱）
３００℃の半田浴の上に基板サイズ５０×５０ｍｍ、ランドサイズ２５×５０ｍｍ（右半分の銅箔を残す）の基板を乗せて４分間膨れや剥がれがないことを目視で観察して、評価した。

（耐電圧）
絶縁油中に試験片を浸漬し、室温で交流電圧を銅箔とアルミニウム板との間に印加し絶縁破壊する電圧を測定した。

（Ｔピール強度試験）
積層板の銅箔をエッチングして幅１０ｍｍのパターンを形成したサンプルを作製し、基板と銅箔が垂直になるように５０ｍｍ／分の速度で引き剥がす際のＴピール強度（Ｎ／ｃｍ）を測定した。

上記各評価方法により評価をしたところ、熱伝導率は１０．８Ｗ/ｍＫ、Ｔピール強度は２０．５Ｎ／ｃｍ、耐電圧は４．５ｋＶ、半田耐熱は３００℃で４分間であり、合格であった。

（比較例１）
液晶ポリエステル溶液Ａの代わりにビスフェノールＡ系エポキシ樹脂（アデカ社製、商品名「ＥＰ４１００Ｇ」、エポキシ当量１９０）１００部、酸無水物系硬化剤（アデカ社製、商品名「ＥＨ３３２６」、酸価６５０）８５部、溶媒としてトルエン１００部を用いた、実施例１と同様にアルミナを体積充填率で６５％配合、攪拌し銅箔に塗布後乾燥した。熱処理は行なわずそのままアルミニウムに積層し１８０℃、５０ｋｇ／ｃｍ^２で１．５時間加熱して、熱接着した。
得られた金属ベース回路基板の性能は、熱伝導率は３．４Ｗ／ｍＫと液晶ポリエステルを用いた実施例に比べ極めて低い値であった。

（実施例２）
液晶ポリエステル溶液Ａ：１００部に対して、窒化ホウ素（平均粒径５〜８μｍ、水島合金鉄社製、商品名「ＨＰ−４０」）を体積充填率で７０％配合し、実施例１と同様に金属ベース回路基板を製造した。
得られた金属ベース回路基板の性能は、熱伝導率は１６．８Ｗ／ｍＫと高く、その他、Ｔピール強度が７．６Ｎ／ｃｍ、耐電圧４．５ｋＶ、半田耐熱３００℃で４分間であり、合格であった。

（比較例２）
比較例１で用いたエポキシ樹脂及び酸無水物硬化剤１００部に窒化ホウ素を体積充填率で７０％配合し、比較例１と同様な手順で金属ベースス回路基板を製造した。
得られた金属ベース回路基板の熱伝導率は５．２Ｗ／ｍＫであり、液晶ポリエステルを母材として用いた実施例に比べ大幅に低い値であった。

以上のように、本発明にかかる金属ベース回路基板は、絶縁層の母材を構成する樹脂成分自体の熱伝導率が高いため、無機充填剤の配合量を低減しても、絶縁層の熱伝導率を高い状態に維持でき、その結果、絶縁層の熱伝導性の向上と、絶縁層の絶縁性および機械的強度の確保とを同時に実現することができる。したがって、本発明にかかる金属ベース回路基板は、高い放熱性を有するとともに、機械的強度にも優れるので、切断加工やプレス加工にも対応でき、安価に得ることができ、セラミックベース回路基板が主力であった分野を含む広い分野に適用可能である。

Claims (4)

1. 金属基板と該金属基板上に積層された絶縁層と該絶縁層上に積層された回路形成用の導電箔とを有してなる金属ベース回路基板であって、
   前記金属基板が熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ以上で厚みが０．２〜５．０ｍｍであり、
   前記絶縁層が、非異方性の液晶ポリエステル溶液に熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤が分散されてなる絶縁材組成物を用いて形成されたものである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絶縁材の熱伝導率が６〜３０Ｗ／ｍＫ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. 請求項１に記載の金属ベース回路基板の製造方法であって、
   非異方性液晶ポリエステル溶液と熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤とからなる絶縁材組成物を、熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ以上で厚み０．２〜５．０ｍｍの金属基板の表面に塗工して絶縁塗膜を形成する絶縁塗膜形成工程と、
   前記絶縁塗膜を乾燥して絶縁材層を形成する絶縁材層形成工程と、
   前記絶縁材層を熱処理し、絶縁層を得る絶縁層形成工程と、
   前記金属基板の表面に形成された前記絶縁層の露出面に前記導電箔を密着させて前記金属基板と導電箔との間に絶縁層を設けた積層構造を構成する積層工程と、
   前記積層工程の後に、前記絶縁層を加熱することにより絶縁層と前記金属基板および導電箔との接着を行う熱接着工程と、
   を有することを特徴とする金属ベース回路基板の製造方法。
4. 請求項１に記載の金属ベース回路基板の製造方法であって、
   非異方性液晶ポリエステル溶液と熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤とからなる絶縁材組成物を、導電箔の表面に塗工して絶縁塗膜を形成する絶縁塗膜形成工程と、
   前記絶縁塗膜を乾燥して絶縁材層を形成する絶縁材層形成工程と、
   前記絶縁材層を熱処理し、絶縁層を得る絶縁層形成工程と、
   前記導電箔の表面に形成された前記絶縁層の露出面を前記金属基板の表面に密着させて前記金属基板と導電箔との間に絶縁層を設けた積層構造を構成する積層工程と、
   前記積層工程の後に、前記絶縁層を加熱することにより絶縁層と前記金属基板および導電箔との接着を行う熱接着工程と、
   を有することを特徴とする金属ベース回路基板の製造方法。