TW202147928A - 金屬基底基板、電子零件安裝基板 - Google Patents

Abstract

本發明之金屬基底基板具備金屬基板、被疊層在上述金屬基板之一方之表面的絕緣層，和被疊層在上述絕緣層之與上述金屬基板側相反側之表面的電路層，該金屬基底基板之特徵在於，上述電路層係由半軟化溫度為100℃以上150℃以下之金屬構成，上述絕緣層包含樹脂，上述絕緣層之厚度t(μm)和上述絕緣層之在100℃的彈性率E(GPa)之關係滿足下述式(1)， 10＜t/E･･･(1)。

Description

金屬基底基板、電子零件安裝基板

本發明係關於金屬基底基板、及使用此的電子零件安裝基板。 本申請案係根據2020年3月31日在日本申請的特願2020-062822號，主張優先權，在此援用其內容。

用以安裝半導體元件等之電子零件的基板係以可以將藉由電子零件之動作而產生的熱效率佳地散熱至外部的金屬基底基板為佳。作為金屬基底基板，已知使用金屬基板作為基底基板，依序疊層該金屬基板、絕緣層和電路層的金屬基底基板。電子零件係在電路層上經由焊接層而被接合。在被設為如此的構成之金屬基底基板中，在電子零件產生的熱經由絕緣層而被傳達至金屬基板，從金屬基板被散熱至外部。

金屬基底基板之絕緣層係由包含一般絕緣性優良的樹脂、熱傳導性優良的陶瓷粒子(熱傳導性填料、無機填充材)的絕緣性樹脂組成物形成。作為絕緣層用之樹脂使用聚醯亞胺樹脂或聚醯胺醯亞胺樹脂、矽氧樹脂。以往，在如此的金屬基底基板中，藉由使構成絕緣層之樹脂低彈性率化，減少施加於焊接層的熱應力(例如，參照專利文獻1、2)。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特許第5650084號公報 [專利文獻2]日本特許第5665449號公報

[發明所欲解決之課題]

但是，在專利文獻1、2所示的發明中，藉由使構成絕緣層的樹脂低彈性率化，即使可以緩和金屬基板之膨脹所致的熱應力，由於電路層熱膨脹，要大幅度地減少施加於焊接層的熱應力有限度。而且，越使構成絕緣層之樹脂低彈性率化，絕緣層越柔軟，無法抑制電路層之熱膨脹。

本發明係鑒於考慮到如此之情形而創作出，其目的在於提供在經由焊接層而接合電子零件之狀態，即使施予冷熱循環，亦不會引起焊接裂紋之產生的金屬基底基板，及使用此的電子零件安裝基板。 [用以解決課題之手段]

為了解決上述課題，本發明者們提出以下之見解。即是，藉由限定電路層之半軟化溫度的範圍，並且定義構成絕緣層之厚度和絕緣層之樹脂的彈性率之關係，可以抑制施加於焊接層的熱應力。

根據如此的見解，該發明提案以下的手段。 本發明之金屬基底基板具備金屬基板、被疊層在上述金屬基板之一方之表面的絕緣層，和被疊層在上述絕緣層之與上述金屬基板側相反側之表面的電路層，該金屬基底基板之特徵在於，上述電路層係由半軟化溫度為100℃以上150℃以下之金屬構成，上述絕緣層包含樹脂，上述絕緣層之厚度t(μm)和上述絕緣層之在100℃的彈性率E(GPa)之關係滿足下述式(1)， 10＜t/E･･･(1)

再者，在本發明中，上述絶縁層即使為使填料分散於上述樹脂而成者亦可。

再者，在本發明中，即使在上述絕緣層和上述電路層之間，或上述絕緣層和上述金屬基板之間之中的至少一方具有密接層亦可。再者，即使上述密接層分散填料亦可，再者，即使少於上述絕緣層所含的填料之體積比率亦可。

本發明之電子零件安裝基板係於上述各項以具有金屬基底基板、在上述金屬基底基板之上述電路層經由焊接層而接合的電子零件作為特徵。

以下，針對本發明之一實施型態，一面適當地參照圖面一面予以詳細說明。在以下的說明中使用的圖面，為了更容易了解本發明之特徵，有基於方便，放大表示成為特徵之部分的情況，有各構成要素之尺寸比率等與實際不同之情形。在以下之說明中例示的材質、尺寸等為一例，本發明並不限定於該些，能夠在達到其效果的範圍適當地變更而予以實施。

圖1為表示具備本發明之一實施型態所涉及的金屬基底基板之電子零件安裝基板的剖面圖。 電子零件安裝基板10具有金屬基底基板20、在該金屬基底基板20經由焊接層12而被接合的電子零件11。電子零件11不特別限定，可舉出半導體元件、電阻、電容器、水晶振盪器等。作為半導體元件之例，可舉出MOSFET (Metal-oxide-semiconductor field effect transistor)、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)、LSI(Large Scale Integration)、LED(發光二極體)、LED晶片、LED-CSP (LED-Chip Size Package)。

焊接層12係可以使用例如Sn-Ag-Cu焊接等，可以使用各種焊接，並不特別限制。

金屬基底基板20具有金屬基板21、被疊層在該金屬基板21之一方之面的絕緣層22，和被疊層在絕緣層22之金屬基板21側相反側的面的電路層23。

金屬基板21係成為金屬基底基板20之基底的構件。可以使用例如銅板、鋁板及該些疊層板，作為金屬基板21。

絕緣層22係由包含絕緣性樹脂(樹脂)22a陶瓷粒子(填料)22b的絕緣性熱傳導性樹脂組成物形成。藉由從使熱傳導性高，並且絕緣性之陶瓷粒子22b分散於絕緣性高的絕緣性樹脂22a形成絕緣層22，可以邊維持絕緣性，邊更減少從電路層23至金屬基板21的金屬基底基板20全體的熱阻。依此，可以容易從金屬基板21側散熱在電子零件11產生的熱。

絕緣性樹脂31係以聚醯亞胺樹脂或聚醯胺醯亞胺樹脂，或者該些混合物為佳。聚醯亞胺樹脂或聚醯胺醯亞胺因持有醯亞胺鍵結，故具有優異的耐熱性和機械特性。

作為填料之一例的陶瓷粒子22b，可以使用矽石(二氧化矽)粒子、氧化鋁(Alumina)粒子、氮化硼(BN)粒子、氧化鈦粒子、氧化鋁摻雜二氧化矽粒子、氧化鋁水合物粒子、氮化氧化鋁粒子等。陶瓷粒子22b即使單獨使用一種亦可，即使組合二種以上亦可。在該些陶瓷粒子之中，氧化鋁粒子以熱傳導性高之點為佳。陶瓷粒子22b之型態雖然不特別限制，但是以微細的陶瓷粒子之凝聚粒子或單結晶之陶瓷粒子為佳。

微細的陶瓷粒子之凝聚粒子即使一次粒子比較弱地連結的黏聚物亦可，即使為一次粒子比較強地連結的凝聚物亦可。 再者，即使形成凝聚粒子彼此進一步集合的粒子集合體亦可。陶瓷粒子22b之一次粒子形成凝聚粒子，藉由分散在絕緣層22之絕緣性樹脂(樹脂)22a中，形成陶瓷粒子22b間之相互接觸所致的網絡，容易在陶瓷粒子22b之一次粒子間傳導熱，提升絕緣層22之熱傳導度。

作為微細的陶瓷粒子之凝聚粒子之市售品，可以使用AE50、AE130、AE200、AE300、AE380、AE90E (皆為日本Aerosil股份有限公司製造)、T400(Wacker公司製造)、SFP-20M(Denka股份有限公司製造)等的二氧化矽粒子、Alu65(日本Aerosil股份有限公司製造)、AA-04(住友化學股份有限公司製造)等的氧化鋁粒子、AP-170S (Maruka公司製造)等的氮化硼粒子、AEROXIDE(R)TiO2 P90(日本Aerosil股份有限公司製造)等的氧化鈦粒子、MOX170(日本Aerosil股份有限公司製造)等的氧化鋁摻雜二氧化矽粒子、Sasol公司製造氧化鋁水合物粒子等。

單晶之陶瓷粒子以具有α氧化鋁(αAl2O3)之結晶構造的α氧化鋁單晶粒子為佳。作為α氧化鋁單晶粒子之市售品可以使用住友化學股份有限公司所販賣的先進鋁(AA)系列的AA-03、AA-04、AA-05、AA-07、AA-1.5等。

絕緣層22中之陶瓷粒子22b之含有量若為例如60體積%以上80體積以下之範圍內即可。當陶瓷粒子22b之含有量過少時，有無法充分提升絕緣層22之熱傳導性，有金屬基底基板20全體之熱阻變高之虞。另一方面，當陶瓷粒子22b之含有量過多時，絕緣性樹脂22a之含有量相對地減少，絕緣層22之彈性率過高，依此冷熱循環，難以在絕緣層22緩和施加於焊接層12之應力。

絕緣層22之厚度雖然並不特別限定，但是以例如在1μm以上200μm以下之範圍內為佳，以在3μm以上100μm以下之範圍內為更佳。

本實施型態之金屬基底基板20之絕緣層22係絕緣層22之厚度t(μm)和絕緣層22之在100℃的彈性率(GPa)之關係被形成滿足下述式(1)。 10＜t/E･･･(1) 若使絕緣層22低彈性率化，以使絕緣層22之厚度t和絕緣層22之彈性率E之關係滿足上述式(1)時，則可以充分緩和金屬基板21之熱膨脹所致的應力。

電路層23若為半軟化溫度為100℃以上，150℃以下之金屬箔即可，例如可以使用鋁、銅及該些金屬的合金。該些的金屬之中，以銅為佳。作為銅，可以舉出例如4N銅(純度99.99%)。在如此的4N銅中，為了將半軟化溫度設為100℃以上150℃以下，以包含微量的添加元素為佳。作為添加元素，可舉出釔、鈧、釤、鑭、鈰、硼、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鋯、鉿、釹、鉭、鈣、錳。

電路層23之膜厚一般在10μm以上2000μm以下之範圍內，較佳為在20μm以上200μm以下之範圍內。當電路層23之膜厚過薄時，有容許電流過小，熱阻變高之虞。另一方面，當電路層23之膜厚過厚時，有藉由蝕刻形成電路圖案變成困難之虞。

本實施型態之電路層23係使用半軟化溫度為100℃以上、150℃以下的金屬箔，例如4N銅箔。 在此所指的半軟化溫度係指將試料予以退火，藉由拉伸試驗測量耐力之時的退火前之耐力，和完全軟化之時(將30分鐘退火後，就算進一步提升退火溫度，耐力也不變化的狀態，視為完全軟化)之耐力之間的相當於中間之耐力的退火溫度。另外，退火前的耐力設為冷軋後的耐力。

除了上述構成之外，而即使進一步在絕緣層22和電路層23之間，或絕緣層22和金屬基板21之間，或是在其雙方設置密接層25亦可。在本實施型態中，表示在絕緣層22和電路層23之間設置密接層25的例。 密接層25以由樹脂構成為佳。作為樹脂，可以使用矽氧樹脂、環氧樹脂、聚醯胺醯亞胺樹脂、聚醯亞胺樹脂。矽氧樹脂包含導入各種有機基的變性矽氧樹脂。作為變性矽氧樹脂的例，可舉出聚醯亞變性矽氧樹脂、聚酯變性矽氧樹脂、氨基甲酸酯變性矽氧樹脂、丙烯酸變性矽氧樹脂、烯烴變性矽氧樹脂、醚變性矽氧樹脂、醇變性矽氧樹脂、氟變性矽氧樹脂、氨基變性矽氧樹脂、巰基變性矽氧樹脂、羧基變性矽氧樹脂。作為環氧樹脂之例，可以舉出雙酚A型環氧樹脂、雙酚F型環氧樹脂、酚醛型環氧樹脂、脂肪族型環氧樹脂、縮水甘油胺型環氧樹脂。該些樹脂即使單獨使用一種亦可，即使組合兩種以上使用亦可。

密接層25為了提升熱傳導性，即使分散熱傳導性填料亦可。 作為熱傳導性填料，可以使用陶瓷粒子。作為陶瓷粒子之例，可以舉出二氧化矽粒子、氧化鋁粒子、氮化硼粒子、氧化鈦粒子、氧化鋁摻雜二氧化矽粒子、氧化鋁水合物粒子、磷酸包覆氮化鋁粒子。

密接層25所含的填料比起絕緣層22所含的填料，以減少含有的填料的體積比率為佳。密接層22中之填料的含有量在使用例如陶瓷粒子作為填料之情況，若為20體積%以上60體積%以下之範圍內即可。

若藉由上述般之構成的本實施型態之金屬基底基板20、及使用此的電子零件安裝基板10時，可以實現在使用將電路層23設為半軟化溫度為100℃以上、150℃以下者，並且絕緣層22係藉由厚度t(μm)和絕緣層22之在100℃的彈性率E(GPa)之關係滿足上述式(1)，經由焊接層12接合電子零件11之狀態下，即使施加冷熱循環，亦可以抑制過剩的應力施加於焊接層12，難引起焊接裂紋之產生的金屬基底基板20，及使用此的電子零件安裝基板10。

以上，雖然說明本發明之一實施型態，但是本實施型態僅為例示，並無限定發明之範圍的意圖。本實施型態可以其他各種型態來實施，可以在不脫離發明之主旨的範圍下，進行各種省略、置換、變更。該實施型態或其變形包含在發明之範圍或主旨時，同樣也包含在申請專利範圍所記載之發明和其均等之範圍內。 [實施例]

檢驗本發明的效果。 (成為電路層的銅箔之作成) 在純度99.996質量%以上之無氧銅，以成為表1所示的濃度之方式，添加釔(Y)，藉由真空溶解(0.1Pa)熔製。而且，以熱軋使取得的鑄塊成為厚度10mm之後，進行表面切削，重複退火和冷軋，成為特定厚度。

(絕緣層形成用塗佈液之製作) 作陶瓷粒子，準備氧化鋁(Al2O3)粒子(AA-07：住友化學股份有限公司製造)。對NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)10g投入所準備的氧化鋁粒子1.0g，進行30分鐘的超音波處理，調製陶瓷粒子分散液。 接著，將在100℃的彈性率為100MPa的溶劑可溶性聚醯亞胺之聚醯亞胺溶液(市售品)，和陶瓷粒子分散液，混合成陶瓷粒子對樹脂成分和陶瓷粒子之合計量的含有量成為60體積%。接著，以溶劑稀釋成混合物中之聚醯亞胺之濃度成為5質量%。使用濕式粒化裝置(Star Burst：Sugino股份有限公司製造)，藉由重覆10次壓力50MPa之高壓噴射處理，對接著所獲得的混合物進行分散處理，調製陶瓷粒子分散聚醯亞胺溶液(絕緣層形成用塗佈液)。

(絕緣層之形成) 在厚度2.0mm且50mm×50mm的銅基板之表面，以絕緣層之在100℃的彈性率(GPa)除以藉由加熱生成上述絕緣層形成用塗佈液之後的值如表1所示的值般，藉由棒式塗法予以塗佈而形成絕緣層形成用塗佈層。接著，在熱板上配置形成有絕緣層形成用塗佈層之後的銅基板，從室溫以3℃/分鐘升溫至60℃，以60℃/100分鐘，進一步以1℃/分鐘，升溫至120℃，在120℃加熱100分鐘，使絕緣層形成用塗佈層乾燥。之後，將銅基板在250℃加熱1分鐘，在400℃加熱1分鐘，在銅基板的一面形成絕緣層。

另外，絕緣層的彈性率係使用藉由下述測量順序而測量出的值。 在0.1mm之銅板塗佈絕緣層，在進行乾燥之期間，藉由蝕刻除去銅板，絕緣膜分離。針對所獲得的絕緣膜，使用動態黏性測量裝置(固體黏彈性分析器RSA-G2：TA Instruments Japan股份有限公司製造)，藉由拉伸式，測量在100℃的彈性率。測量條件係將頻率設為1Hz，將升溫速度設為1℃/Min。

(電路層的黏貼) 在絕緣層上，以表1所載的厚度，重疊40mm×40mm之銅箔(配線層)，接著，一面使用碳夾具施加5MPa之壓力，一面在真空中，以215℃之溫度加熱120分鐘，貼合絕緣層和銅箔。如上述般，製作出依序疊層銅基板和絕緣層之金屬基底基板。

在表1表示本發明例1~36，和比較例1~3之檢驗結果。另外，表1中之「可靠性」係下述表示的可靠性試驗所致的結果，將可靠性為80%以上者設為○，將可靠性為80%以下者設為×。 (可靠性試驗) 在金屬基板形成絕緣層，在其上方形成銅箔作為配線層，進一步塗佈Sn-Ag-Cu焊料，形成縱2.5cm×橫2.5cm×厚度100μm之焊接層，在該焊接層之上方搭載2.5cm見方的Si晶片，製作出試驗體。對製作出的試驗體，施予300循環的1循環為-40℃×30分鐘~150℃×30分鐘的冷熱循環。以樹脂包覆施予冷卻循環後的試驗體，觀察在晶片中心附近剖面研磨而形成的觀察面，測量產生在焊接層的裂紋之長度(mm)。從焊接層之一邊的長度，和測量到的裂紋之長度，將藉由表示下述可靠性的式所算出的值設為接合可靠性。將接合可靠性為90%以上者設為可靠性○，除此之外標示設為×。 可靠性(%)={(焊接層之一邊的長度(25mm)-2×裂紋之長度)/接合層之一邊的長度(25mm)}×100

若藉由表1所示的結果，電路層之半軟化溫度為100℃以上、150℃以上，並且，具備絕緣層之厚度t(μm)和絕緣層之在100℃的彈性率E(GPa)之關係滿足下述式(1)的絕緣層之本發明例1~36之金屬基底基板，被確認為可靠性滿足所需要件，即使施加冷熱循環，亦難引起在焊接層產生焊接裂紋的金屬基底基板。另一方面，比較例1~3之金屬基底基板有可靠性不滿足所需要件，有當施加冷熱循環時，引起在焊接層產生焊接裂紋之虞。依此，可以確認本發明之金屬基底基板的效果。

10:電子零件安裝基板 11:電子零件 12:焊接層 20:金屬基底基板 21:金屬基板 22:絕緣層 22a:絕緣性樹脂(樹脂) 22b:陶瓷粒子(填料) 23:電路層

[圖1]為表示具備本發明之一實施型態所涉及的金屬基底基板之電子零件安裝基板的剖面圖。

Claims (4)

1. 一種金屬基底基板，其係具備金屬基板、被疊層在上述金屬基板之一方之表面的絕緣層，和被疊層在上述絕緣層之與上述金屬基板側相反側之表面的電路層，該金屬基底基板之特徵在於， 上述電路層係由半軟化溫度為100℃以上150℃以下之金屬構成， 上述絕緣層包含樹脂，上述絕緣層之厚度t(μm)和上述絕緣層之在100℃的彈性率E(GPa)之關係滿足下述式(1)， 10＜t/E･･･(1)。
2. 如請求項1之金屬基底基板，其中 上述絕緣層為使填料分散於上述樹脂而成者。
3. 如請求項2之金屬基底基板，其中 在上述絕緣層和上述電路層之間，或是上述絕緣層和上述金屬基板之間之中的至少一方，具有使填料分散而成的密接層， 上述密接層比起上述絕緣層，所含的填料之體積比例較少。
4. 一種電子零件安裝基板，其特徵在於， 具有如請求項1至3中之任一項所載的金屬基底基板、在上述金屬基底基板之上述電路層經由焊接層而接合的電子零件。

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