JPWO2013153771A1

JPWO2013153771A1 - 銅ベース回路基板

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Publication number: JPWO2013153771A1
Application number: JP2014510040A
Authority: JP
Inventors: 茂夫桑原; 和彦許斐
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: JP6212482B2; WO2013153771A1; TW201347621A

Abstract

パワーモジュールなど高放熱が要求される用途のために銅基板に耐熱性の高い樹脂を使用して積層形成しても、積層形成後の絶縁層剥がれを抑制することを可能とする銅ベース回路基板を提供する。銅基板３の一側面３ａに絶縁層５を介して配線パターン７を形成する銅ベース回路基板１であって、絶縁層５を、銅基板３との積層形成温度が２６０〜４００℃となる樹脂で形成し、銅基板３は、純銅を用いた銅基板よりも高い温度まで硬さの変化が抑制されたＣｕを主体とする銅合金で形成し、絶縁層５と銅基板３とを、２６０〜４００℃の温度で積層形成しても、硬さを維持可能とし、積層形成後のプレス打ち抜き加工等においても平面度を維持可能となり、ヒート・シンク等の組み付け性を向上させ、さらには、パワーモジュールなどの用途として高い温度環境下での使用でも耐久性を維持させることができることを特徴とする。

Description

本発明は、パワーモジュール用などの銅ベース回路基板に関する。

従来より、金属基板の一側面に絶縁層を介して配線パターンを形成した金属ベース回路基板が知られている。金属基板としては、ＬＥＤ照明用などの場合、放熱性を考慮し、アルミ又はアルミ合金が使用されている。

一方、パワーモジュールなどの用途では、より高い放熱性が要求されるため、熱伝導率がより大きな銅を用いた銅基板が望ましく、また、絶縁層に使用される樹脂は耐熱性の高いものが要求されることになる。

反面、耐熱性の高い樹脂を使用すると、２６０℃を越える温度で銅基板に積層する必要もあり、純銅を用いた銅基板が焼鈍されて柔らかくなり、機械加工性が低下する問題がある。

このため、集合体として形成された銅ベース回路基板をプレスにより打ち抜いて単体とするときや、プレス打抜き加工や、ドリル穴明け加工において銅基板が変形し、平面度を維持できず、ヒート・シンク等の組み付け性が低下し、さらには、パワーモジュールなどの用途として高い温度環境下での使用による早期の耐久性低下を招くことになる。

特公平８−４１９０号公報

解決しようとする問題点は、パワーモジュールなど高放熱が要求される用途のために銅基板に耐熱性の高い樹脂を使用して絶縁層を積層形成すると、平面度を維持できず、組み付け性が低下し、さらには、パワーモジュールなどの用途として高い温度環境下での使用による早期の耐久性低下を招くことになる点である。

本発明は、パワーモジュールなど高放熱が要求される用途のために銅基板に耐熱性の高い樹脂を使用して絶縁層を積層形成しても、平面度維持及び使用による耐久性維持等を可能とするため、銅基板の一側面に絶縁層を介して配線パターンを形成する銅ベース回路基板であって、前記絶縁層を、高耐熱性の樹脂で形成し、前記銅基板は、純銅を用いた銅基板よりも高い温度まで硬さの変化が抑制されたＣｕを主体とする銅合金で形成し、銅基板の一側面に絶縁層を、純銅が焼鈍し始める温度以上の高温で積層形成しても純銅を用いた銅基板に対して積層形成後の機械加工性、基板平面度、平面度のばらつきに関する高い性能を維持し、高温耐久性も維持できることを特徴とする。

本発明の銅ベース回路基板は、上記構成であるから、高耐熱性の樹脂による絶縁層と銅基板とを、例えば２６０℃〜４００℃の加熱温度で積層形成しても、純銅を用いた銅基板に比較して、純銅が焼鈍し始める温度以上でも硬さの変化を抑制することができ、その後のプレス打ち抜き加工や、ドリル穴明け加工においても平面度を維持可能となり、ヒート・シンク等の組み付け性を向上させ、さらには、パワーモジュールなどの用途として高い温度環境下での使用でも耐久性を維持させることができる。

銅ベース回路基板の断面図である。（実施例１）銅基板の組成及び特性の比較を示す図表である。（実施例１）純銅及び各種銅合金で出来た基板の熱履歴を与えたことによる硬さの変化を示すグラフである。（実施例１〜３）銅基板の組成を示す図表である。（実施例１）穴加工をした銅ベース回路基板サンプルの裏面図である。（実施例１）銅ベース回路基板サンプルの平面度試験の状況を示す側面図である。（実施例１）銅ベース回路基板サンプルのダレ性を示す要部拡大断面図である。（実施例１）銅ベース回路基板の断面図である。（実施例１）銅ベース回路基板の断面図である。（実施例１）銅ベース回路基板の断面図である。（実施例１）

パワーモジュールなど高放熱が要求される用途のために銅基板に耐熱性の高い樹脂を使用して絶縁層を積層形成し、平面度維持、及び使用による耐久性維持を可能にするという目的を、絶縁層５を、銅基板３と積層する際の形成温度が２６０〜４００℃となる樹脂で形成し、銅基板３は、純銅を用いた銅基板よりも高い温度まで硬さの変化が抑制されたＣｕを主体とした銅合金で形成し、銅基板３の一側面３ａに絶縁層５を、純銅が焼鈍し始める温度以上の高温で積層形成しても純銅を用いた銅基板に対して積層形成後の機械加工性、基板平面度、平面度のばらつきに関する高い性能を維持し、高温耐久性も維持できることにより実現した。

図１は、銅ベース回路基板の断面図である。

図1のように、銅ベース回路基板１は、銅合金製などの銅基板３の一側面３ａに絶縁層
５を介して銅箔による配線パターン７が形成されたものである。この銅ベース回路基板１は、例えば、複数個が一体に形成された集合体として製造され、各銅ベース回路基板１がプレス切断加工により切り離されたものである。

銅ベース回路基板１は、図示しないケース内で、一側面３ａからプレス切断部１ａに掛けて絶縁性樹脂が充填され、樹脂封止される。なお、図示はしていないが、配線パターン７の所定箇所には、回路素子が取り付けられ、絶縁性樹脂内に共に樹脂封止される。

かかる銅ベース回路基板１の銅基板３の板厚は、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、絶縁層５の厚みは、１０〜２００μｍに設定されている。

前記絶縁層５は、成形温度が２６０℃〜４００℃の高耐熱性の樹脂（例えば、ポリアミドイミド樹脂に絶縁性の無機充填剤を分散させた組成物）で形成されている。図２においては、最下段に各例に使用されている樹脂の種類を例示している。ＰＡＩは、ポリアミドイミド樹脂、ＬＣＰは、液晶ポリマー樹脂を示す。銅基板３は、純銅の銅基板よりも高い温度まで硬さの変化が抑制されたものであり、Ｃｕを主体とした銅合金、例えばＦｅ、Ｐを含有させた銅合金で形成されている。

絶縁層５を、成形温度が２６０℃〜４００℃の高耐熱性樹脂として、ポリアミドイミド樹脂、液晶ポリマーの他に、ポリイミド樹脂、シアネート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、フッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂の何れかで形成し、必要に応じて熱伝導率２０Ｗ／ｍＫ以上の絶縁性の無機充填剤が分散されてなる組成物を用いてもよい。

銅基板３は、高放熱、高耐熱性のため、実施例1ではＣｕを９７．０重量％以上１００重量％未満の主体とし、Ｆｅ、Ｐを含有させた銅合金で形成している。なお、含有させる金属は、後述のように、Ｆｅ、Ｐ以外のものを使用することもでき、その含有率もまた必要に応じて変更することもできる。

図２は、銅基板の組成及び特性の比較を示す図表、図３は、純銅及び各種銅合金で出来た基板の熱履歴を与えたことによる硬さの変化を示すグラフ、図４は、銅基板の組成を示す図表、図５は、穴加工をした銅ベース回路基板サンプルの裏面図、図６は、銅ベース回路基板サンプルの平面度試験の状況を示す側面図、図７は、銅ベース回路基板サンプルのダレ性を示す要部拡大断面図である。

図２のように、実施例１では、例えば、銅基板３の組成としては、ＣＤＡ合金番号−質別記号で、実施例1-ａ：Ｃ１９２１０-Ｏ、実施例1-ｂ：Ｃ１９２１０-１／２Ｈの２種類を採用した。何れも、Ｃｕを９９．８１〜９９．９２５重量％とし、０．０５〜０．１５重量％Ｆｅ及び０．０２５〜０．０４重量％Ｐを含有させた銅合金を用いた。なお、図２の実施例２，３については後述する。

比較例１、２の銅基板は、Ｃｕを９９．９５重量％以上とし、０．００１０重量％Ｏ以下の純銅を用いた。

データ項目は、基材厚み、硬さ（初期値）、熱処理条件、硬さ（熱処理後）、加工後の平面度、平面度のばらつき、加工品のダレ性、２６０℃（リフロー炉温度参考）/２ｈｒ加熱後の硬さ、高温耐久性、硬さの規格値とした。

基材厚みは、銅基板３の厚み、硬さ（初期値）は熱処理前の硬さ、熱処理条件は、銅基板３に、絶縁層５を加熱積層形成するときのものである。

加熱後硬さは、加熱で銅張り積層板を形成した後のビッカース硬さ、平面度は、同銅基板３の一側面３ａ及び他側面３ｂの平面度である。平面度ばらつきは、サンプリングした複数の銅張り積層板の平面度のばらつきである。ダレ性は、打ち抜き加工などによるプレス切断加工により切り離された後のプレス切断部１ａのプレスダレやドリル穴明け加工による穴縁部などのダレの発生し難さである。２６０℃加熱後の硬さは、はんだ付けに使用するリフロー炉の温度を参考にして熱処理した後の硬さである。

ここで、銅張り積層板とは、配線パターン７が形成される前の銅基板３と絶縁層５との積層構造である。

図２の比較例１は、実施例1-ａ、実施例1-ｂと同様の高耐熱性の樹脂で銅基板に絶縁層を加熱積層形成した。絶縁層には、ポリアミドイミド樹脂を用いて銅張り積層板を形成した。

比較例１は、図２のように、積層時熱処理条件が高く、３５０℃/３０ｍｉｎの加熱でＨｖ５７となり銅基板の焼鈍が起った。このため、加熱前後の硬さが大幅に異なり、加熱後に硬さを維持できず、加工後の平面度、平面度のばらつきが悪化し、加工性は確保できなかった（加工品のダレ性×）。２６０℃（リフロー炉温度参考）加熱後の硬さも低く、高温耐久性も得られていない（×）。

比較例２は、２６０℃未満の１８０℃／３ｈｒの加熱で銅基板に絶縁層（エポキシ樹脂に絶縁性の無機充填剤を分散させた組成物）を加熱積層形成したものであり、積層時熱処理条件が低く、銅基板の焼鈍は起こらなかった。このため、加工性は確保できた（加工品のダレ性○）。但し、２６０℃以上の温度で熱処理する（リフロー炉で加熱するなど）と焼鈍が起こり変化し易くなって基板寿命が短縮する。また、２６０℃以上の温度で製品を使用する場合にも焼鈍が起こり、短寿命となる。

これに対し、図２の実施例1-ａ、実施例1-ｂは、高耐熱性の樹脂で銅基板に絶縁層を加熱積層形成したものであり、積層時熱処理条件は高いが、銅基板の焼鈍は起らなかった。このため、加熱前後の硬さが殆ど変化せず、変化が抑制された。加熱後にも硬さを維持することができ、加工後の平面度を維持でき、平面度のばらつきが少なく、加工性も確保できた（加工品のダレ性○）。２６０℃（リフロー炉温度参考）加熱後の硬さも高く、高温耐久性も得られた（○）。

このように、比較例１、２の銅張り積層板は、何れも高温耐久性が低いという結果になった。これに対し、実施例1-ａ、実施例1-ｂの銅張り積層板は、加工品のダレ性、高温耐久性の何れにおいても高い性能を確保できた。

さらに、銅ベース回路基板１を樹脂封止するときにも、絶縁性樹脂の充填を無理なく正確に行わせると共に、封止材の硬化するときの収縮によるソリを抑制するなど製品形状や寸法、外観品質も維持することができる。

銅基板３の他側面３ｂにヒート・シンクを取り付けるときにも平面度の維持で密着性が良く、銅基板３そのものの高放熱性と併せて、さらに放熱性を向上させることができる。

積層形成に際しては、例えば、前記ａの銅合金で形成した銅基板３の表面を粗化処理（例えば、ケミカル処理）及び皮膜処理（例えば、メッキ処理）し、前記高耐熱性樹脂を２６０℃〜４００℃で加熱して銅張り積層板を形成した。

粗化処理の場合は、銅基板３に対する絶縁層５の結合を強固に行わせ、皮膜処理のばあいは、２６０℃〜４００℃の加熱で積層形成に際しても、銅基板３からの金属イオンの発生が抑制され、絶縁層５の酸化が抑制されて、絶縁層５及び銅基板３間の剥がれを抑制することができる。

２６０℃〜４００℃の加熱による積層形成後でも銅基板３の平面度を維持できるため、係る点からも絶縁層５及び銅基板３間の剥がれをより一層抑制することができる。

しかも、銅基板３であるから熱伝導性に優れ、放熱性を高めることができ、且つ絶縁層５の耐熱性も高く、パワーモジュールなどの高放熱が要求される用途に適した銅ベース回路基板１を得ることができる。

図４は、銅基板の組成を示す図表である。

本発明実施例は、図４のような組成を持つ基材（Ｃ１５１００、Ｃ１５１５０、Ｃ１９４００）の銅基板を用いることもできる。かかる組成の銅基板においても、純銅基板との比較においては、２６０℃以上の温度で熱処理しても銅基板の焼鈍は起らず、加熱前後の硬さ変化が上記実施例1-ａ、実施例1-ｂ同様に殆どなく、加熱後に硬さを維持でき、同様の効果を奏することができる。

試験方法について説明する。

図５〜図７において、銅ベース回路基板サンプルについても、図１と同符号を用いる。

図５のように銅ベース回路基板サンプル１は、銅基板３側から規定のサイズにプレスで打抜き、さらに、銅基板３側から２箇所プレスにて穴８の加工を行った。この銅ベース回路基板サンプル１について評価した。本実施例における平面度とは、図６のように定盤１０の上に、加工した銅ベース回路基板サンプル１を配線パターン７（回路Ｃｕ箔）が接するように載せ、銅基板３表面（上面）の任意の場所で厚み方向の高さ０点を設定し、サンプル１の中心と周辺から２ｍｍはなれた図５中の黒点（９点）の位置の高さについて、基準点（０点）との差を測定した。サンプル１について、銅基板３側が定盤１０上に接するように載せた場合についても同様に測定した。

一方の面の測定点９点の最大と最小との差Ｘ（μｍ）と、他方の面の最大と最小との差Ｙ（μｍ）との大きな方の値を平面度とした。

また、平面度のばらつきは、９点の標準偏差である。

本実施例におけるダレ性とは、配線パターン７（回路Ｃｕ箔）が定盤１０に接するように銅ベース回路基板サンプル１を載せ、プレス打抜きの切断エッジ部が内側の平坦な基準面の延長より沈み込んだ量をダレとした。

ダレが０．１５ｍｍ未満を○とし、０．１５ｍｍ以上を×とした。

硬さの測定は、厚み２ｍｍの基板に使用する銅板または作製した基板の銅板について、切断した断面の厚み方向の中心部において下記の測定機により測定した。

測定機：フィーチャーテック製・マイクロビッカース硬さ試験機ＦＭ７００、測定荷重２００ｇ
また図２の２６０℃（リフロー炉温度参考）加熱後の硬さとは、基板を２６０℃／２ｈｒ加熱した後の銅板の硬さを示したものである。

高温耐久性試験は、銅基板３にφ１１ｍｍの穴を開け、ＳＵＳ３０４製Ｍ１０ボルトとナットとで締め付け、２６０℃⇔室温を繰返したときに緩みのないこととした。

比較例１、２についても同様に試験を行った。

図８〜図１０は、変形例に係る銅ベース回路基板の断面図である。なお、図１と同一構成部分には同符号を付す。

図８の銅ベース回路基板１Ａは、銅基板３の両面に絶縁層５を介して配線パターン７を形成した。

図９の銅ベース回路基板１Ｂは、２層基板（貼り合わせ仕様）である。銅ベース回路基板１Ｂは、絶縁層５上に接着層９を介して他の基板１１が積層されたものである。基板１１は、ガラスクロスエポキシ樹脂層１３の表裏に銅箔の配線パターン１５を形成したものである。配線パターン１５の一部は、スルーホールによりガラスクロスエポキシ樹脂層１３の表裏で導通している。

図１０の銅ベース回路基板１Ｃは、２層基板（ビルドアップ仕様）である。銅ベース回路基板１Ｃは、絶縁層５上に配線パターン７を覆う絶縁層１７を介して配線パターン１９を形成し、配線パターン１９は、スルーホールによって配線パターン７側に接続されている。

係る図８〜図１０の変形例に係る銅ベース回路基板１Ａ、１Ｂ、１Ｃにおいても、上記実施例1-ａ、実施例1-ｂの効果と同様の効果を奏することができる。

銅基板は、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｂの内、少なくとも１種類以上を含有する銅合金で形成されれば良く、何れの組成においても純銅基板との比較においては、２６０℃〜４００℃の温度で熱処理しても焼鈍が起こらず、加熱前後の硬さの変化は殆どない。

図１を参照すると、本実施例の銅ベース回路基板１は、絶縁層５を形成する高耐熱性の樹脂を、図２において、実施例１-ａで使用したポリアミドイミド樹脂に代えて液晶ポリマー樹脂を使用し、積層時熱処理条件を３３０℃／２０ｍｉｎとした。その他の条件は、実施例1-ｂと同様にした。

本実施例でも、積層時熱処理による焼鈍は起こらず、積層時熱処理後にＨｖ１２１を維持した。このため、加熱前後の硬さが同じであり、加熱後に硬さを維持でき、加工後の平面度、平面度のばらつきが抑制され、加工性は確保できた（加工品のダレ性○）。２６０℃（リフロー炉温度参考）加熱後の硬さもＨｖ１２１であり、高温耐久性も得られた（○）。

すなわち、本実施例でも、上記実施例と同様な作用効果を奏することができた。

また、図８〜図１０の変形例に係る銅ベース回路基板１Ａ、１Ｂ、１Ｃにおいても、同様に適用できる。

図１を参照すると、本実施例の銅ベース回路基板１は、絶縁層５を形成する高耐熱性の樹脂を、図２において、実施例１-ａで使用したポリアミドイミド樹脂に代えてシアネート樹脂を使用し、積層時熱処理条件を３００℃／６０ｍｉｎとした。その他の条件は、実施例1-ｂと同様にした。

本実施例でも、積層時熱処理による焼鈍は起こらず、積層時熱処理後にＨｖ１２２となった。このため、加熱前後の硬さがほぼ同じであり、加熱後に硬さを維持でき、加工後の平面度、平面度のばらつきが抑制され、加工性は確保できた（加工品のダレ性○）。２６０℃（リフロー炉温度参考）加熱後の硬さもＨｖ１２２であり、高温耐久性も得られた（○）。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ銅ベース回路基板
１ａプレス切断部
３銅基板
５絶縁層
７配線パターン

Claims

銅基板の一側面に絶縁層を介して配線パターンを形成する銅ベース回路基板であって、
前記絶縁層を、高耐熱性の樹脂で形成し、
前記銅基板は、純銅を用いた銅基板よりも高い温度まで硬さの変化が抑制されたＣｕを主体とする銅合金で形成され、
銅基板の一側面に絶縁層を、純銅が焼鈍し始める温度以上の高温で積層形成しても純銅を用いた銅基板に対して積層形成後の機械加工性、基板平面度、平面度のばらつきに関する高い性能を維持し、高温耐久性も維持できる、
ことを特徴とする銅ベース回路基板。
請求項１記載の銅ベース回路基板であって、
前記銅基板は、Ｆｅ、Ｐ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｂの内、１種類以上を含有する銅合金で形成した、
ことを特徴とする銅ベース回路基板。
請求２記載の銅ベース回路基板であって、
前記銅基板は、Ｃｕを少なくとも９７．０重量％以上１００重量％未満とした銅合金で形成した、
ことを特徴とする銅ベース回路基板。
請求項１〜３の何れか１項記載の銅ベース回路基板であって、
前記絶縁層は、前記銅基板との積層形成温度が２６０〜４００℃となる樹脂で形成した、
ことを特徴とする銅ベース回路基板。
請求項４記載の銅ベース回路基板であって、
前記絶縁層を構成する樹脂がポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、フッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、液晶ポリマー、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、シアネート樹脂の何れかである、
ことを特徴とする銅ベース回路基板。
請求項１〜５の何れか1項記載の銅ベース回路基板であって、
前記絶縁層が、熱伝導率２０Ｗ／ｍＫ以上の無機充填剤が分散されてなる組成物を用いて形成した、
ことを特徴とする銅ベース回路基板。
請求項１〜６の何れか1項記載の銅ベース回路基板であって、
前記絶縁層は、熱伝導率が６〜４０Ｗ/ｍＫである、
ことを特徴とする銅ベース回路基板。