WO2015163056A1 - 金属ベース基板、金属ベース回路基板および電子装置 - Google Patents

金属ベース基板、金属ベース回路基板および電子装置 Download PDF

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WO2015163056A1
WO2015163056A1 PCT/JP2015/058432 JP2015058432W WO2015163056A1 WO 2015163056 A1 WO2015163056 A1 WO 2015163056A1 JP 2015058432 W JP2015058432 W JP 2015058432W WO 2015163056 A1 WO2015163056 A1 WO 2015163056A1
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epoxy resin
substrate
metal base
mass
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小宮谷 壽郎
大輔 北原
杠 幸治
新居 良英
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住友ベークライト株式会社
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    • H01L2924/1306Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Definitions

  • the present invention relates to a metal base substrate, a metal base circuit substrate, and an electronic device.
  • circuit boards on which electronic components such as semiconductor elements are mounted are used.
  • a metal base substrate provided with a metal layer formed of a metal foil on an insulating resin layer on a metal substrate is preferably used for applications requiring high current. It has been.
  • an inverter device or a power semiconductor device in which an electronic component such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) and a semiconductor device such as a diode, a resistor, and a capacitor is mounted on a circuit-processed metal base substrate is known. Yes.
  • Patent Document 1 discloses a metal base substrate in which an insulating layer is provided on a metal plate made of aluminum and a conductor circuit made of copper foil is provided on the insulating layer.
  • the constituent metal species are different, and their linear expansion coefficients are also different. For this reason, if such a substrate is placed in a harsh environment with a large temperature change, the entire substrate may be warped.
  • the present invention uses a metal base that can suppress warpage as a whole metal base substrate even when placed in a harsh environment with a large temperature change while using copper as a metal layer and aluminum as a metal plate. Providing a substrate.
  • a metal base substrate comprising a metal substrate, an insulating resin layer provided on the metal substrate, and a metal layer provided on the insulating resin layer,
  • the metal layer is made of copper;
  • the metal substrate is provided with a metal base substrate made of an aluminum alloy containing silicon carbide.
  • aluminum has a larger coefficient of thermal expansion than copper.
  • the metal substrate made of an aluminum alloy contains silicon carbide, the coefficient of thermal expansion can be reduced more than that of normally used aluminum. As a result, the difference in thermal expansion coefficient between the metal layer and the metal substrate can be relaxed, and the warpage of the entire metal base substrate can be suppressed.
  • the metal substrate of the present invention contains silicon carbide in aluminum, when compared to the case where copper is used as the metal substrate, as well as the case where aluminum which is usually used for the metal substrate is used. Even if it compares, there exists an effect of improving the intensity
  • a metal base circuit board obtained by circuit-processing the metal layer of the metal base board described above.
  • a metal base substrate in which warpage is sufficiently suppressed even when placed in a severe environment having a large temperature change.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a metal base substrate according to an embodiment of the present invention.
  • the metal base substrate 100 includes a metal substrate 101, an insulating resin layer 102 provided on the metal substrate 101, and a metal layer 103 provided on the insulating resin layer 102.
  • the metal layer 103 is made of copper from the viewpoint of ensuring the workability of the circuit.
  • the lower limit value of the thickness of the metal layer 103 is, for example, 10 ⁇ m or more, preferably 100 ⁇ m or more, and more preferably 170 ⁇ m or more. If it is more than such a numerical value, the voltage applied to the circuit can be relaxed even in an application requiring a high current.
  • the upper limit of the thickness of the metal layer 103 is 500 micrometers or less, for example, Preferably it is 300 micrometers or less, More preferably, it is 230 micrometers or less. If it is below such a numerical value, circuit workability can be improved and thickness reduction of the whole board
  • about copper foil whose thickness is 230 micrometers or less many roll-shaped copper materials are distribute
  • Metal substrate 101 is made of an aluminum alloy containing silicon carbide.
  • an aluminum alloy containing silicon carbide By using an aluminum alloy containing silicon carbide in this way, the thermal expansion coefficient can be reduced as compared with normally used aluminum, and as a result, warpage of the metal base substrate 100 as a whole can be suppressed.
  • the thickness of the metal substrate 101 can be appropriately set as long as the object of the present invention is not impaired.
  • the upper limit value of the thickness of the metal substrate 101 is, for example, 20 mm or less, preferably 5 mm or less. By using the metal substrate 101 having a thickness equal to or less than this value, the metal base substrate 100 as a whole can be thinned.
  • the lower limit of the thickness of the metal substrate 101 is, for example, 200 ⁇ m or more, and preferably 500 ⁇ m or more. By using the metal substrate 101 that is equal to or greater than this value, the heat dissipation of the metal base substrate 100 as a whole can be improved.
  • the content of silicon carbide in the entire aluminum alloy containing silicon carbide is 20% by mass or more and 60% by mass or less, and more preferably 20% by mass or more and 30% by mass or less.
  • the thermal expansion coefficient of the metal substrate 101 can be reduced moderately, and the difference in thermal expansion coefficient with the metal layer 103 can be reduced.
  • the thermal expansion coefficient of copper is about 17 ppm / K
  • the thermal expansion coefficient of the aluminum alloy constituting the metal substrate 101 is 11 ppm / K or more and 18 ppm / K or less, more preferably 14 ppm / K or more and 18 ppm. / K or less.
  • such a thermal expansion coefficient can be measured using the measuring method of the linear expansion coefficient of the metal material based on JISZ2285: 2003.
  • the aluminum alloy of the present embodiment may contain other components such as a reinforcing material as long as the object of the invention is not impaired.
  • the insulating resin layer 102 is a layer for bonding the metal layer 103 to the metal substrate 101.
  • the thickness of the insulating resin layer 102 is appropriately set in accordance with the object of the invention, but the thickness of the insulating resin layer 102 is preferably 40 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less, and both heat dissipation and insulating properties in the entire metal base substrate 100 are achieved. In order to achieve this, it is more preferable to set the thickness of the insulating resin layer to 60 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less. By setting the thickness of the insulating resin layer 102 to be equal to or less than the above upper limit value, heat from the electronic component can be easily transmitted to the metal substrate 101.
  • the thickness of the insulating resin layer 102 is set to be equal to or greater than the above lower limit value, it is possible to sufficiently reduce the generation of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the metal substrate 101 and the insulating resin layer 102 with the insulating resin layer 102. . Furthermore, the insulating property of the metal base substrate 100 is improved.
  • the insulating resin layer 102 can be appropriately selected according to the application to be used.
  • cured the epoxy resin composition containing (D) and a coupling agent (E) can be used. That is, the insulating resin layer 102 has a C-stage shape including a thermosetting resin.
  • the epoxy resin composition of the present embodiment includes, for example, an epoxy resin (A) and an inorganic filler (B), and further includes a phenoxy resin (C), a curing agent (D), and a cup as necessary. Ring agent (E).
  • the epoxy resin (A) preferably includes an epoxy resin (A1) having at least one of an aromatic ring structure and an alicyclic structure (alicyclic carbocyclic structure).
  • an epoxy resin (A1) having at least one of an aromatic ring structure and an alicyclic structure alicyclic carbocyclic structure.
  • Examples of the epoxy resin (A1) having an aromatic ring or alicyclic structure include, for example, bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol S type epoxy resin, bisphenol E type epoxy resin, bisphenol M type epoxy resin, Bisphenol type epoxy resins such as bisphenol P type epoxy resin and bisphenol Z type epoxy resin; Novolak type epoxy resins such as phenol novolac type epoxy resin, cresol novolac type epoxy resin, tetraphenol group ethane type novolak type epoxy resin; Biphenyl type epoxy resin And arylalkylene type epoxy resins such as a phenol aralkyl type epoxy resin having a biphenylene skeleton; and epoxy resins such as a naphthalene type epoxy resin.
  • One of these can be used alone, or two or more can be used in combination.
  • the glass transition temperature can be further increased, the generation of voids in the insulating resin layer 102 can be suppressed, the thermal conductivity can be further improved, and the dielectric breakdown voltage can be improved.
  • a naphthalene type epoxy resin is included as the epoxy resin (A1).
  • the naphthalene type epoxy resin refers to one having a naphthalene ring skeleton and having two or more glycidyl groups.
  • the content of the naphthalene type epoxy resin is preferably 20% by mass to 80% by mass, and more preferably 40% by mass to 60% by mass with respect to 100% by mass of the epoxy resin (A).
  • naphthalene type epoxy resin for example, any one of the following formulas (5) to (7) can be used.
  • m and n represent the number of substituents on the naphthalene ring, and each independently represents an integer of 1 to 7.
  • Me represents a methyl group
  • l, m, and n are natural numbers of 1 or more.
  • l, m, and n are preferably 10 or less.
  • naphthalene type epoxy resin a naphthylene ether type epoxy resin represented by the following formula (8) can also be used.
  • n is an integer of 1 or more and 20 or less
  • l is an integer of 1 or more and 2 or less
  • R 1 is independently a hydrogen atom, a benzyl group, an alkyl group, or the following formula (9)
  • each R 2 is independently a hydrogen atom or a methyl group.
  • Ar is each independently a phenylene group or a naphthylene group
  • R 2 is each independently a hydrogen atom or a methyl group
  • m is an integer of 1 or 2.
  • Examples of the naphthylene ether type epoxy resin represented by the above formula (8) include those represented by the following formula (10).
  • n is an integer of 1 or more and 20 or less, preferably an integer of 1 or more and 10 or less, more preferably an integer of 1 or more and 3 or less.
  • R is independently a hydrogen atom or (It is a structure represented by the following formula (11), preferably a hydrogen atom.)
  • n is an integer of 1 or 2.
  • Examples of the naphthylene ether type epoxy resin represented by the above formula (10) include those represented by the following formulas (12) to (16).
  • content of the epoxy resin (A) contained in an epoxy resin composition is suitably adjusted according to the objective, 1 mass% or more and 23 mass% with respect to 100 mass% of total solids of an epoxy resin composition. The following is preferable, and 2 mass% or more and 15 mass% or less are more preferable.
  • content of the epoxy resin (A) is not less than the above lower limit value, the handleability is improved and the insulating resin layer 102 can be easily formed.
  • content of the epoxy resin (A) is not more than the above upper limit value, the strength and flame retardancy of the insulating resin layer 102 are further improved, and the thermal conductivity of the insulating resin layer 102 is further improved.
  • an inorganic filler (B) is used.
  • silicates such as talc, calcined clay, unfired clay, mica and glass
  • oxides such as titanium oxide, alumina, boehmite, silica and fused silica
  • carbonates such as calcium carbonate, magnesium carbonate and hydrotalcite
  • Hydroxides such as aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, sulfates or sulfites such as barium sulfate, calcium sulfate, calcium sulfite
  • An inorganic filler such as borate such as sodium oxide
  • nitride such as aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride, and carbon nitride
  • titanate such as strontium titanate and barium titanate can be used.
  • boron nitride and alumina are examples of silicate
  • alumina When alumina is used as the inorganic filler (B), it is a mixed system of three components (large particle size, medium particle size, small particle size) with different average particle sizes, the large particle size component is spherical, and the medium particle size The component and the small particle size component are preferably polyhedral. More specifically, alumina belongs to the first particle size range in which the average particle size is 5.0 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, preferably 5.0 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less, and the circularity is 0.80 or more and 1.0 or less.
  • the average particle size belongs to the third particle size range of 0.1 ⁇ m or more and less than 1.0 ⁇ m, and the circularity is 0.00. It is preferable to be a mixture of 50 to 0.90, preferably 0.70 to 0.80 small particle size alumina.
  • the particle diameter can be measured by dispersing the alumina in water by ultrasonic treatment for 1 minute using a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer SALD-7000. Further, the circularity can be measured by using a flow type particle image analyzer FPIA-3000 manufactured by Sysmex and adopting the sample preparation method and diffraction method described in Examples.
  • the medium particle size component is filled in the gap between the large particle size components, and the small particle size component is filled in the gap between the medium particle size components, so that the alumina filling property is improved and the contact area between the alumina particles is increased. Can be made larger.
  • the thermal conductivity of the insulating resin layer 102 can be further improved.
  • the solder heat resistance, flex resistance, and insulation of the insulating resin layer 102 can be further improved.
  • the adhesion between the insulating resin layer 102 and the metal substrate 101 can be further improved. Due to these synergistic effects, the insulation reliability of the metal base substrate 100 can be further enhanced.
  • the content of the inorganic filler (B) contained in the epoxy resin composition is, for example, 75% by mass to 95% by mass with respect to 100% by mass of the total solid content of the epoxy resin composition, and more preferably. It is 80 mass% or more and 90 mass% or less.
  • the content of the inorganic filler As high as 75% by mass or more and 95% by mass or less, the contact area between the inorganic filler particles is increased.
  • the thermal conductivity of the insulating resin layer 102 can be improved, and the heat dissipation of the electronic device 11 (see FIG. 2) can be improved. Therefore, the heat of the electronic component can be sufficiently transferred to the outside. Thereby, the highly durable electronic device 11 can be obtained.
  • the content of alumina belonging to the first particle size range is preferably 65% by mass or more and 85% by mass or less with respect to 100% by mass of the whole alumina.
  • the content of alumina belonging to the particle size range is preferably 10% by mass or more and 20% by mass or less, and the content of alumina belonging to the third particle size range is preferably 5% by mass or more and 18% by mass or less.
  • the epoxy resin composition preferably further contains a phenoxy resin (C).
  • a phenoxy resin (C) By including the phenoxy resin (C), the bending resistance of the insulating resin layer 102 can be improved. Therefore, it is possible to suppress a decrease in handling properties of the insulating resin layer 102 due to a high filling of alumina (B). Further, by including the phenoxy resin (C), the elastic modulus of the insulating resin layer 102 can be reduced, and in this case, the stress relaxation force of the metal base substrate 100 can be improved. For example, when the electronic device 1 is manufactured, a defect such as a crack is more likely to occur at or near the solder joint where the electronic component and the metal base substrate 100 are joined even in an environment of rapid heating / cooling. Will be suppressed.
  • the heat cycle characteristics of the metal base substrate 100 can be further improved.
  • phenoxy resin (C) is included, the fluidity
  • the adhesion between the insulating resin layer 102 and the metal substrate 101 can be improved. Due to these synergistic effects, the insulation reliability of the metal base substrate 100 can be further enhanced.
  • Examples of the phenoxy resin (C) include a phenoxy resin having a bisphenol skeleton, a phenoxy resin having a naphthalene skeleton, a phenoxy resin having an anthracene skeleton, and a phenoxy resin having a biphenyl skeleton.
  • a phenoxy resin having a structure having a plurality of these skeletons can also be used.
  • bisphenol A type or bisphenol F type phenoxy resin it is preferable to use bisphenol A type or bisphenol F type phenoxy resin.
  • a phenoxy resin having both a bisphenol A skeleton and a bisphenol F skeleton may be used.
  • the weight average molecular weight of the phenoxy resin (C) is not particularly limited, but is preferably 4.0 ⁇ 10 4 or more and 8.0 ⁇ 10 4 or less.
  • the weight average molecular weight of phenoxy resin (C) is a value in terms of polystyrene measured by gel permeation chromatography (GPC).
  • the content of the phenoxy resin (C) is, for example, preferably 1% by mass or more and 15% by mass or less, more preferably 2% by mass or more and 10% by mass or less with respect to 100% by mass of the total solid content of the epoxy resin composition. .
  • curing agent (D) (curing catalyst) examples include organic metals such as zinc naphthenate, cobalt naphthenate, tin octylate, cobalt octylate, bisacetylacetonate cobalt (II), and trisacetylacetonate cobalt (III).
  • organic metals such as zinc naphthenate, cobalt naphthenate, tin octylate, cobalt octylate, bisacetylacetonate cobalt (II), and trisacetylacetonate cobalt (III).
  • Dicyandiamide diethylenetriamine, triethylenetetramine, metaxylylenediamine, diaminodiphenylmethane, diaminodiethyldiphenylmethane, metaphenylenediamine, diaminodiphenylsulfone, isophoronediamine, norbornenediamine, triethylamine, tributylamine, diazabicyclo [2,2,2]
  • Amine-based curing agents such as octane; 2-phenyl-imidazole, 2-phenyl-4-methylimidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, 2-ethyl-4 Imidazole-based curing agents such as ethylimidazole, 2-phenyl-4-methyl-5-hydroxyimidazole, 2-phenyl-4,5-dihydroxyimidazole; triphenylphosphine, tri-p-tolylphosphine, tetraphenylphosphonium
  • curing agent (D) As a hardening
  • an amine-based curing agent and an imidazole-based curing agent are preferable in that a cured product having excellent adhesiveness, reacting at a relatively low temperature, and excellent heat resistance can be obtained.
  • curing agent (D) is not specifically limited, For example, it is 0.05 mass% or more and 3.0 mass% or less with respect to 100 mass% of total solid content of an epoxy resin composition.
  • the epoxy resin composition may include a coupling agent (E).
  • the coupling agent (E) can improve the wettability of the interface between the epoxy resin (A) and the inorganic filler (B).
  • the coupling agent (E) any of those usually used can be used. Specifically, an epoxy silane coupling agent, a cationic silane coupling agent, an aminosilane coupling agent, a titanate coupling agent, and a silicone oil type. It is preferable to use one or more coupling agents selected from coupling agents.
  • the amount of the coupling agent (E) added depends on the specific surface area of the inorganic filler (B) and is not particularly limited, but is 0.05 parts by mass or more and 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the inorganic filler (B). The following is preferable, and 0.1 to 2 parts by mass is particularly preferable.
  • the epoxy resin composition can contain an antioxidant, a leveling agent and the like as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • the epoxy resin composition of the present embodiment preferably has the following viscosity behavior.
  • the melt viscosity initially decreases and the minimum melt viscosity
  • the minimum melt viscosity is in the range of 1 ⁇ 10 3 Pa ⁇ s to 1 ⁇ 10 5 Pa ⁇ s.
  • the epoxy resin (A) and the inorganic filler (B) are separated, and only the epoxy resin (A) can be prevented from flowing, and a more homogeneous insulating resin Layer 102 can be obtained.
  • the minimum melt viscosity is not more than the above upper limit value, the wettability of the epoxy resin composition to the metal substrate 101 can be improved, and the adhesion between the insulating resin layer 102 and the metal substrate 101 can be further improved.
  • the epoxy resin composition of the present embodiment preferably has a temperature at which the minimum melt viscosity is reached in the range of 60 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. Moreover, the epoxy resin composition of the present embodiment preferably has a flow rate of 15% or more and less than 60%.
  • the flow rate can be measured by the following procedure. First, 5-7 sheets of metal foil having a resin layer formed of the epoxy resin composition of the present embodiment are cut into a predetermined size (50 mm ⁇ 50 mm), and the weight is measured. Next, after pressing for 5 minutes between hot plates maintained at an internal temperature of 175 ° C. and cooling, the resin that has flowed out is carefully dropped and the weight is measured again. The flow rate can be obtained by the following formula (I).
  • an epoxy resin composition having such a viscosity behavior for example, the type and amount of the epoxy resin (A) described above, the type and amount of the inorganic filler (B), and the type of phenoxy resin (C)
  • the amount may be adjusted as appropriate.
  • a resin having good fluidity such as a naphthalene type epoxy resin, the above-mentioned viscosity characteristics can be easily obtained.
  • the insulating resin layer 102 has high thermal conductivity. Specifically, the thermal conductivity in the thickness direction of the insulating resin layer 102 measured by a laser flash method is preferably 3.0 W / (m ⁇ k) or more, and is preferably 5.0 W / (m ⁇ k). More preferably. Thereby, the heat from the electronic component can be easily transmitted to the metal substrate 101 through the insulating resin layer 102.
  • the insulating resin layer 102 has increased rigidity and can reduce warping of the insulating resin layer 102. As a result, positional displacement of the electronic component with respect to the metal base substrate 100 can be suppressed.
  • the glass transition temperature is preferably 100 ° C. or higher and 150 ° C. or lower.
  • the glass transition temperature of the insulating resin layer 102 can be measured as follows based on JIS C 6481. Using a dynamic viscoelasticity measuring device (DMA / 983 manufactured by TA Instruments Inc.), applying a tensile load under a nitrogen atmosphere (200 ml / min), a frequency of 1 Hz, a temperature of ⁇ 50 ° C. to 300 ° C. The range is measured at a temperature rising rate of 5 ° C./min, and the glass transition temperature Tg is obtained from the peak position of tan ⁇ .
  • DMA / 983 dynamic viscoelasticity measuring device
  • the elastic modulus (storage elastic modulus) E ′ of 25 ° C. of the insulating resin layer 102 increases the rigidity and can reduce the warp of the insulating resin layer 102. As a result, it is possible to suppress the displacement of the electronic component with respect to the circuit board, From the viewpoint of further enhancing the connection reliability between the electronic component and the circuit board, it is preferably 30 GPa or more and 70 GPa or less.
  • the said storage elastic modulus is measured with the dynamic viscoelasticity measuring apparatus.
  • the storage elastic modulus E ′ is a storage elastic modulus of 25 ° C. when a tensile load is applied to the insulating resin layer 102 and measured from ⁇ 50 ° C. to 300 ° C. at a frequency of 1 Hz and a temperature increase rate of 5-10 ° C./min. Value.
  • the metal base substrate 100 as described above can be manufactured, for example, as follows. That is, the metal base substrate 100 of the present embodiment first prepares a carrier material with a resin layer, and laminates the carrier material with a resin layer on the metal substrate 101.
  • a resin layer is formed on a carrier material to obtain a carrier material with a resin layer.
  • the carrier material is, for example, a resin film such as polyethylene terephthalate (PET); a metal foil such as a copper foil.
  • the thickness of the carrier material is, for example, 10 to 500 ⁇ m.
  • the carrier material with a resin layer is laminated on the metal substrate 101 so that the resin layer side surface of the carrier material with the resin layer is in contact with the surface of the metal substrate 101. Thereafter, the resin layer is pressed and heated and cured using a press or the like to bring the resin layer into a B-stage state.
  • the carrier material is removed from the resin layer in the B-stage state, and the metal layer 103 is formed on the surface of the exposed resin layer.
  • this carrier material can be used as the metal layer 103 as it is.
  • another layer such as an adhesive layer may be interposed between the resin layer and the metal substrate 101 or between the resin layer and the metal layer 103.
  • the insulating resin layer 102 is formed by post-curing the resin layer.
  • the metal layer 103 can be made into the copper foil extruded from the roll. By doing in this way, improvement in production efficiency can be aimed at.
  • the obtained metal base substrate 100 can be processed by etching the metal layer 103 into a predetermined pattern, and a metal base circuit substrate can be obtained. Further, a solder resist 10 (see FIG. 2) may be formed on the outermost layer, and the connection electrode portion may be exposed so that electronic parts can be mounted by exposure and development.
  • the electronic device 11 can be obtained by providing electronic components on the metal base circuit board of the present embodiment.
  • the electronic device 11 is a semiconductor device, such as a power semiconductor device, LED lighting, or an inverter device.
  • the inverter device electrically generates AC power from DC power (has a reverse conversion function).
  • a power semiconductor device is characterized by higher withstand voltage, higher current, higher speed and higher frequency than ordinary semiconductor elements, and is generally called a power device. , Power MOSFET, insulated gate bipolar transistor (IGBT), thyristor, gate turn-off thyristor (GTO), triac and the like.
  • Electronic components are semiconductor elements such as insulated gate bipolar transistors, diodes, and IC chips, and various heating elements such as resistors and capacitors.
  • the metal base substrate 100 functions as a heat spreader.
  • the IC chip 2 is mounted on the metal layer 103a of the metal base circuit board via the adhesive layer 3.
  • the IC chip 2 is electrically connected to the metal layer 103b through the bonding wire 7. Further, the IC chip 2, the bonding wire 7, and the metal layers 103 a and 103 b are sealed with a sealing material 6.
  • the chip capacitor 8 and the chip resistor 9 are mounted on the metal layer 103.
  • Conventionally known chip capacitors 8 and chip resistors 9 can be used.
  • the metal substrate 101 of the electronic device 11 is connected to the heat radiating fins 5 through the heat conductive grease 4. That is, the heat generated by the IC chip 2 is conducted to the heat radiating fins 5 through the adhesive layer 3, the metal layer 103 a, the insulating resin layer 102, the metal substrate 101, and the heat conductive grease 4 to remove heat. Can do.
  • a mass% varnish-like epoxy resin composition A was obtained.
  • the circularity of alumina was measured using a flow type particle image analyzer “FPIA-3000” manufactured by Sysmex.
  • a measurement sample was prepared by adding an appropriate amount of a surfactant to 50 to 100 ml of distilled water, adding 10 to 20 mg of alumina particles thereto, and then dispersing the mixture with an ultrasonic disperser for 1 minute.
  • the flow type particle image analyzer “FPIA-3000” analyzes the circumference of one particle projection image and the circumference of a circle corresponding to the area of the particle projection image, and obtains the circularity by the following equation: The average value per 20,000 is automatically calculated.
  • Example 1 [Production of metal base substrate] A copper foil having a thickness of 210 ⁇ m (JTC-210, manufactured by JX Nippon Mining & Metals) was used as the metal foil, and a varnish-like epoxy resin composition A was applied to the roughened surface of the copper foil with a comma coater. Heat-dried at 3 ° C. for 3 minutes and 150 ° C. for 3 minutes to obtain a resin-coated copper foil having a resin thickness of 80 ⁇ m.
  • JTC-210 manufactured by JX Nippon Mining & Metals
  • the copper foil with resin and a silicon carbide-containing aluminum alloy plate (4.5 mm thick, manufactured by Tokin Sangyo Co., Ltd., 20% duracan (thermal expansion coefficient: 17.5 ppm / K)) are laminated together and pressed by a vacuum press.
  • the metal base substrate was obtained by pressing at a pressure of 100 kg / cm 2 under conditions of 80 ° C. for 30 minutes and 180 ° C. for 60 minutes.
  • Example 2 A metal base substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the epoxy resin composition A was changed to the epoxy resin composition B.
  • Example 3 A metal base substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the epoxy resin composition A was changed to the epoxy resin composition C.
  • Example 4 A metal base substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the epoxy resin composition A was changed to the epoxy resin composition D.
  • Example 5 After obtaining a copper foil with a resin, a 4.5 mm thick silicon carbide-containing aluminum alloy plate (manufactured by Toshin Sangyo Co., Ltd., 30% durcan (thermal expansion coefficient: 14.4 ppm / K)) is laminated and heated and heated. A metal base substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the pressure was applied.
  • Example 1 is the same as Example 1 except that after obtaining a resin-coated copper foil, a 500 ⁇ m thick aluminum plate (manufactured by Nippon Light Metal Co., Ltd., # 5052 (thermal expansion coefficient: 23.8 ppm / K)) was laminated and heated and pressurized. Similarly, a metal base substrate was obtained.
  • Example 2 A metal base substrate was prepared in the same manner as in Example 1 except that after a resin-coated copper foil was obtained, a 500 ⁇ m thick stainless steel plate (manufactured by SUS403, thermal expansion coefficient: 9.9 ppm / K) was laminated and heated and pressurized. Obtained.
  • the crack rate of the solder portion refers to the crack progress rate of the solder portion of the component joint portion. The ratio is 100% when the crack progresses and the connection with the substrate is completely disconnected.

Abstract

 本発明の金属ベース基板(100)は、金属基板(101)と、金属基板(101)上に設けられた絶縁樹脂層(102)と、絶縁樹脂層(102)上に設けられた金属層(103)とを備え、金属層(103)は銅から構成され、金属基板(101)は、炭化珪素を含むアルミニウム合金から構成される。

Description

金属ベース基板、金属ベース回路基板および電子装置
 本発明は、金属ベース基板、金属ベース回路基板および電子装置に関する。
 種々の用途において、半導体素子等の電子部品を搭載する回路基板が用いられている。その中でも、安価で熱安定性に優れていることから、金属基板上に、絶縁樹脂層を介して、金属箔から形成された金属層を設けた金属ベース基板が高電流を要する用途に好ましく用いられている。たとえば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)およびダイオード等の半導体装置、抵抗、ならびにコンデンサ等の電子部品を、回路加工した金属ベース基板に搭載したインバーター装置またはパワー半導体装置が知られている。
 一般に、入手容易性や金属ベース基板の強度を確保するという観点から、金属基板としてはアルミニウムが用いられ、また、金属箔としては回路加工性に優れることから、銅箔が用いられる。
 たとえば、特許文献1には、アルミニウムからなる金属板上に絶縁層を設置し、該絶縁層上に銅箔からなる導体回路を設けてなる金属ベース基板が開示されている。
特開2003-229508号公報
 近年では、特に車載用の各種制御・操作に大電流を使用する装置において、その小型化、省スペース化と共に電力制御装置をエンジンルーム内に設置することが望まれている。エンジンルーム内は温度が高く、温度変化も大きい過酷な環境である。そのため、金属ベース基板全体として反りが生じにくい金属ベース基板が求められている。
 金属層として銅を用い、金属板としてアルミニウムを用いた基板の場合では、構成する金属種が異なり、これらの線膨張係数も異なっている。
 そのため、このような基板では、温度変化の大きい過酷な環境に置いてしまうと、基板全体に反りが生じる可能性がある。
 このような事情に鑑み、本発明は金属層として銅、金属板としてアルミニウムを用いながら、温度変化の大きい過酷な環境に置いた際にも金属ベース基板全体として反りを抑制することのできる金属ベース基板を提供する。
 本発明によれば、
 金属基板と、前記金属基板上に設けられた絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層上に設けられた金属層とを備える金属ベース基板であって、
 前記金属層は銅から構成され、
 前記金属基板は、炭化珪素を含むアルミニウム合金から構成される、金属ベース基板が提供される。
 一般に、アルミニウムは銅よりも熱膨張係数が大きい。しかしながら、本発明によれば、アルミニウム合金から構成される金属基板は炭化珪素を含むため、通常用いられるアルミニウムよりも熱膨張係数を低下させることができる。その結果として、金属層と金属基板との熱膨張係数の差を緩和することができ、金属ベース基板全体の反りを抑制することができる。
 また、本発明の金属基板はアルミニウムに炭化珪素が含まれているため、金属基板として銅が用いられている場合と比較した場合は勿論のこと、金属基板に通常用いられるアルミニウムが用いられる場合と比しても、金属ベース基板全体の強度を向上させるという効果もある。
 さらに、本発明によれば、
 前述した金属ベース基板の上記金属層が回路加工されてなる金属ベース回路基板が提供される。
 さらに、本発明によれば、
 前述した金属ベース回路基板と、
 上記金属ベース回路基板上に設けられた電子部品と、
を備える電子装置が提供される。
 本発明によれば、温度変化の大きい過酷な環境に置いた際にも十分に反りが抑制される金属ベース基板が提供される。
 上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
本発明の一実施形態にかかる金属ベース基板の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる電子装置の断面図である。
 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。また、図は概略図であり、実際の寸法比率とは必ずしも一致していない。また、「~」はとくに断りがなければ、以上から以下を表す。
 はじめに、本実施形態の金属ベース基板100について説明する。図1は本発明の一実施形態にかかる金属ベース基板の断面図である。
 金属ベース基板100は、金属基板101と、金属基板101上に設けられた絶縁樹脂層102と、絶縁樹脂層102上に設けられた金属層103とを備える。
<金属層>
 金属層103は回路の加工性を確保する観点から、銅から構成される。
 この金属層103の厚みの下限値は、たとえば、10μm以上であり、好ましくは100μm以上、さらに好ましくは170μm以上である。このような数値以上であれば、高電流を要する用途であっても、回路に印加される電圧を緩和することができる。
 また、金属層103の厚みの上限値は、たとえば、500μm以下であり、好ましくは300μm以下であり、さらに好ましくは230μm以下である。このような数値以下であれば、回路加工性を向上させることができ、また、基板全体としての薄型化を図ることができる。
 なお、厚さが230μm以下である銅箔については、ロール状の銅材料が市場に多く流通している。そのため、金属ベース基板を製造する場合においては、このようなロール状の材料を用いることで、その製造効率の向上も図ることができる。
<金属基板>
 金属基板101は炭化珪素を含むアルミニウム合金から構成される。このように炭化珪素を含んだアルミニウム合金を用いることで、通常用いるアルミニウムよりも熱膨張係数を低下させることができ、結果として金属ベース基板100全体としての反りを抑制することができる。
 金属基板101の厚さは、本発明の目的が損なわれない限り、適宜設定できる。
 金属基板101の厚さの上限値は、たとえば20mm以下であり、好ましくは5mm以下である。この数値以下の厚さの金属基板101を用いることで、金属ベース基板100全体としての薄型化を行うことができる。
 また、金属基板101の厚さの下限値は、たとえば200μm以上であり、好ましくは500μm以上である。この数値以上の金属基板101を用いることで、金属ベース基板100全体としての放熱性を向上させることができる。
 炭化珪素を含むアルミニウム合金全体における、炭化珪素の含有量は20質量%以上60質量%以下であり、より好ましくは20質量%以上30質量%以下である。
 このような数値範囲とすることによって、金属基板101の熱膨張係数を適度に低下させることができ、金属層103との熱膨張係数の差を緩和させることができる。
 具体的には、銅の熱膨張係数が約17ppm/Kであることから、金属基板101を構成するアルミニウム合金の熱膨張係数は11ppm/K以上18ppm/K以下、より好ましくは14ppm/K以上18ppm/K以下である。
 なお、このような熱膨張係数はJIS Z 2285:2003に準拠した金属材料の線膨張係数の測定方法を用いて測定することができる。
 また、本実施形態のアルミニウム合金は、発明の目的が損なわれない限り、強化材などの他の成分が含有されてもよい。
<絶縁樹脂層>
 絶縁樹脂層102は、金属層103を金属基板101に接着するための層である。この絶縁樹脂層102の厚みは、発明の目的に合わせて適宜設定されるが、絶縁樹脂層102の厚さは40μm以上300μm以下が好ましく、金属ベース基板100全体における放熱性と絶縁性との両立を図るためには絶縁樹脂層の厚みを60μm以上200μm以下に設定することがより好ましい。
 絶縁樹脂層102の厚みを上記上限値以下とすることで、電子部品からの熱を金属基板101に伝達させやすくすることができる。
 また、絶縁樹脂層102の厚みを上記下限値以上とすることで、金属基板101と絶縁樹脂層102との熱膨張率差による熱応力の発生を絶縁樹脂層102で緩和することが十分にできる。さらに、金属ベース基板100の絶縁性が向上する。
 絶縁樹脂層102は、用いられる用途に合わせて適宜選択することができるが、たとえば、エポキシ樹脂(A)と、無機充填材(B)と、必要に応じてフェノキシ樹脂(C)と、硬化剤(D)と、カップリング剤(E)とを含むエポキシ樹脂組成物を熱硬化させたものを用いることができる。すなわち、絶縁樹脂層102は、熱硬化した硬化樹脂を含んだCステージ状となっている。
 ここで、エポキシ樹脂組成物の組成の一例について説明する。
 本実施形態のエポキシ樹脂組成物は、たとえば、エポキシ樹脂(A)と、無機充填材(B)とを含み、さらに、必要に応じてフェノキシ樹脂(C)と、硬化剤(D)と、カップリング剤(E)とを含む。
 エポキシ樹脂(A)は、芳香環構造および脂肪環構造(脂環式の炭素環構造)の少なくともいずれか一方を有するエポキシ樹脂(A1)を含むことが好ましい。
 このような芳香環あるいは脂肪環構造を有するエポキシ樹脂(A1)を使用することで、ガラス転移温度を高くするとともに、絶縁樹脂層102の熱伝導性を向上させることができる。
 そして、芳香環あるいは脂肪環構造を有するエポキシ樹脂(A1)としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ビスフェノールE型エポキシ樹脂、ビスフェノールM型エポキシ樹脂、ビスフェノールP型エポキシ樹脂、ビスフェノールZ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂;フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、テトラフェノール基エタン型ノボラック型エポキシ樹脂等のノボラック型エポキシ樹脂;ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂等のアリールアルキレン型エポキシ樹脂;ナフタレン型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂等が挙げられる。これらの中の1種類を単独で用いることもできるし、2種類以上を併用したりすることもできる。
 また、ガラス転移温度をより一層高くでき、絶縁樹脂層102のボイドの発生を抑制し、熱伝導性をより一層向上でき、かつ絶縁破壊電圧を向上できる観点から、芳香環あるいは脂肪環構造を有するエポキシ樹脂(A1)として、ナフタレン型エポキシ樹脂を含むことが好ましい。ここで、ナフタレン型エポキシ樹脂とは、ナフタレン環骨格を有し、かつ、グリシジル基を2つ以上有するものを呼ぶ。ナフタレン型エポキシ樹脂の含有量は、エポキシ樹脂(A)100質量%に対し、好ましくは20質量%以上80質量%以下であり、より好ましくは40質量%以上60質量%以下である。
 ナフタレン型エポキシ樹脂としては、例えば、以下の式(5)~(7)のいずれかを使用できる。なお、式(6)において、m、nはナフタレン環上の置換基の個数を示し、それぞれ独立して1~7の整数を示している。また、式(7)においては、Meはメチル基を示し、l、m、nは1以上の自然数である。ただし、l、m、nは10以下であることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 なお、式(6)の化合物としては、以下のいずれか1種以上を使用することが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 また、ナフタレン型エポキシ樹脂としては、以下の式(8)で表されるナフチレンエーテル型エポキシ樹脂も使用できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 (上記式(8)において、nは1以上20以下の整数であり、lは1以上2以下の整数であり、Rはそれぞれ独立に水素原子、ベンジル基、アルキル基または下記式(9)で表される構造であり、Rはそれぞれ独立に水素原子またはメチル基である。)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 (上記式(9)において、Arはそれぞれ独立にフェニレン基またはナフチレン基であり、Rはそれぞれ独立に水素原子またはメチル基であり、mは1または2の整数である。)
 上記式(8)で表されるナフチレンエーテル型エポキシ樹脂は、下記式(10)で表されるものが例として挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
 (上記式(10)において、nは1以上20以下の整数であり、好ましくは1以上10以下の整数であり、より好ましくは1以上3以下の整数である。Rはそれぞれ独立に水素原子または下記式(11)で表される構造であり、好ましくは水素原子である。)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
 (上記式(11)において、mは1または2の整数である。)
 上記式(10)で表されるナフチレンエーテル型エポキシ樹脂は、例えば、下記式(12)~(16)で表されるものが例として挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000013
 エポキシ樹脂組成物中に含まれるエポキシ樹脂(A)の含有量は、その目的に応じて適宜調整されるが、エポキシ樹脂組成物の全固形分100質量%に対し、1質量%以上23質量%以下が好ましく、2質量%以上15質量%以下がより好ましい。エポキシ樹脂(A)の含有量が上記下限値以上であると、ハンドリング性が向上し、絶縁樹脂層102を形成するのが容易となる。エポキシ樹脂(A)の含有量が上記上限値以下であると、絶縁樹脂層102の強度や難燃性がより一層向上したり、絶縁樹脂層102の熱伝導性がより一層向上したりする。
 本実施形態のエポキシ樹脂組成物では、無機充填材(B)が用いられる。例えば、タルク、焼成クレー、未焼成クレー、マイカ、ガラス等のケイ酸塩;酸化チタン、アルミナ、ベーマイト、シリカ、溶融シリカ等の酸化物;炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ハイドロタルサイト等の炭酸塩;水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等の水酸化物、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、亜硫酸カルシウム等の硫酸塩または亜硫酸塩;ホウ酸亜鉛、メタホウ酸バリウム、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸カルシウム、ホウ酸ナトリウム等のホウ酸塩;窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化炭素等の窒化物;チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム等のチタン酸塩等の無機充填材を用いることができる。
 この中でも、熱伝導性の高さから、窒化ホウ素やアルミナが好ましく用いられ、さらに生産コストを考慮する上で、アルミナを用いることが特に好ましく用いられる。
 アルミナを無機充填材(B)として用いる場合は、平均粒子径が異なる3成分(大粒径、中粒径、小粒径)の混合系で、大粒径成分が球状であり、中粒径成分および小粒径成分が多面体状であることが好ましい。
 より具体的には、アルミナは、平均粒子径が5.0μm以上50μm以下、好ましくは5.0μm以上25μm以下の第1粒径範囲に属し、かつ、円形度が0.80以上1.0以下、好ましくは0.85以上0.95以下である大粒径アルミナと、平均粒子径が1.0μm以上5.0μm未満の第2粒径範囲に属し、かつ、円形度が0.50以上0.90以下、好ましくは0.70以上0.80以下である中粒径アルミナと、平均粒子径が0.1μm以上1.0μm未満の第3粒径範囲に属し、かつ、円形度が0.50以上0.90以下、好ましくは0.70以上0.80以下ある小粒径アルミナと、の混合物であることが好ましい。
 ここで、粒子径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置SALD-7000を用いて、水中にアルミナを1分間超音波処理することにより分散させ、測定することができる。
 また、円形度はSysmex社製のフロー式粒子像解析装置FPIA-3000を用い、実施例項に記載する試料の調製方法および回析方法を採用することで測定することができる。
 これにより、大粒径成分の隙間に中粒径成分が充填され、さらに中粒径成分の隙間に小粒径成分が充填されるため、アルミナの充填性が高められ、アルミナ粒子同士の接触面積をより大きくすることができる。その結果、絶縁樹脂層102の熱伝導性をより一層向上できる。さらに、絶縁樹脂層102の半田耐熱性、耐屈曲性、絶縁性をより一層向上できる。
 また、このようなアルミナを用いることにより、絶縁樹脂層102と金属基板101との密着性をより一層向上できる。
 これらの相乗効果により、金属ベース基板100の絶縁信頼性をより一層高めることができる。
 エポキシ樹脂組成物中に含まれる無機充填材(B)の含有量は、例えば、当該エポキシ樹脂組成物の全固形分100質量%に対し、75質量%以上95質量%以下であり、より好ましくは80質量%以上90質量%以下である。無機充填材の含有量を75質量%以上95質量%以下と高充填とすることで、無機充填材粒子同士の接触面積が大きくなる。その結果、絶縁樹脂層102の熱伝導性を向上でき、電子装置11(図2参照)の放熱性を向上できる。そのため、電子部品の熱を外部に十分に伝熱させることができる。これにより、耐久性の高い電子装置11とすることができる。
 また、無機充填材(B)としてアルミナを用いる場合、アルミナ全体100質量%に対し、第1粒径範囲に属するアルミナの含有量は、好ましくは65質量%以上85質量%以下であり、第2粒径範囲に属するアルミナの含有量は、好ましくは10質量%以上20質量%以下であり、第3粒径範囲に属するアルミナの含有量は、好ましくは5質量%以上18質量%以下である。
 エポキシ樹脂組成物は、さらにフェノキシ樹脂(C)を含むことが好ましい。フェノキシ樹脂(C)を含むことにより、絶縁樹脂層102の耐屈曲性を向上できるため、アルミナ(B)を高充填することによる絶縁樹脂層102のハンドリング性の低下を抑制することができる。
 また、フェノキシ樹脂(C)を含むことにより、絶縁樹脂層102の弾性率を低下させることが可能となり、その場合には金属ベース基板100の応力緩和力を向上させることができる。例えば、電子装置1を製造した場合、急激な加熱/冷却の環境下においても、電子部品と金属ベース基板100を接合する半田接合部、またはその近傍で、クラック等の不良が発生することがより抑制されることになる。このように金属ベース基板100のヒートサイクル特性をより向上させることができる。
 また、フェノキシ樹脂(C)を含むと、粘度上昇により、プレス時の流動性が低減し、ボイド等が発生することを抑制することができる。また、絶縁樹脂層102と金属基板101との密着性を向上できる。これらの相乗効果により、金属ベース基板100の絶縁信頼性をより一層高めることができる。
 フェノキシ樹脂(C)としては、例えば、ビスフェノール骨格を有するフェノキシ樹脂、ナフタレン骨格を有するフェノキシ樹脂、アントラセン骨格を有するフェノキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するフェノキシ樹脂等が挙げられる。また、これらの骨格を複数種有した構造のフェノキシ樹脂を用いることもできる。
 これらの中でも、ビスフェノールA型またはビスフェノールF型のフェノキシ樹脂を用いるのが好ましい。ビスフェノールA骨格とビスフェノールF骨格を両方有するフェノキシ樹脂を用いても良い。
 フェノキシ樹脂(C)の重量平均分子量は、とくに限定されないが、4.0×10以上8.0×10以下が好ましい。
 なお、フェノキシ樹脂(C)の重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算の値である。
 フェノキシ樹脂(C)の含有量は、例えば、エポキシ樹脂組成物の全固形分100質量%に対し、好ましくは1質量%以上15質量%以下、より好ましくは2質量%以上10質量%以下である。
 硬化剤(D)(硬化触媒)としては、例えばナフテン酸亜鉛、ナフテン酸コバルト、オクチル酸スズ、オクチル酸コバルト、ビスアセチルアセトナートコバルト(II)、トリスアセチルアセトナートコバルト(III)等の有機金属塩;ジシアンジアミド、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、メタキシリレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジエチルジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルスルホン、イソフォロンジアミン、ノルボルネンジアミン、トリエチルアミン、トリブチルアミン、ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン等のアミン系硬化剤;2-フェニル-イミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール、2-エチル-4-エチルイミダゾール、2-フェニル-4-メチル-5-ヒドロキシイミダゾール、2-フェニル-4,5-ジヒドロキシイミダゾール等のイミダゾール系硬化剤;トリフェニルホスフィン、トリ-p-トリルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィン・トリフェニルボラン、1,2-ビス-(ジフェニルホスフィノ)エタン等の有機リン化合物;フェノール、ビスフェノールA、ノニルフェノール等のフェノール化合物;酢酸、安息香酸、サリチル酸、パラトルエンスルホン酸等の有機酸等、またはこの混合物が挙げられる。硬化剤(D)として、これらの中の誘導体も含めて1種類を単独で用いることもできるし、これらの誘導体も含めて2種類以上を併用したりすることもできる。
 これらの中でも、接着性に優れ、かつ比較的低温で反応し、耐熱性が優れた硬化物が得られる点で、アミン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤が好ましい。
 硬化剤(D)の含有量は、とくに限定されないが、エポキシ樹脂組成物の全固形分100質量%に対し、例えば、0.05質量%以上3.0質量%以下である。
 さらに、エポキシ樹脂組成物は、カップリング剤(E)を含んでもよい。カップリング剤(E)は、エポキシ樹脂(A)と無機充填材(B)との界面の濡れ性を向上させることができる。
 カップリング剤(E)としては、通常用いられるものなら何でも使用できるが、具体的にはエポキシシランカップリング剤、カチオニックシランカップリング剤、アミノシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤およびシリコーンオイル型カップリング剤の中から選ばれる1種以上のカップリング剤を使用することが好ましい。
 カップリング剤(E)の添加量は無機充填材(B)の比表面積に依存するので、とくに限定されないが、無機充填材(B)100質量部に対して0.05質量部以上3質量部以下が好ましく、とくに0.1質量部以上2質量部以下が好ましい。
 エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で、酸化防止剤、レベリング剤等を含むことができる。
 次に、エポキシ樹脂組成物の物性について説明する。
 本実施形態のエポキシ樹脂組成物は以下のような粘度挙動を有することが好ましい。動的粘弾性測定装置を用いて、当該エポキシ樹脂組成物を60℃から昇温速度3℃/min、周波数1Hzで溶融状態まで昇温したときに、初期は溶融粘度が減少し、最低溶融粘度に到達した後、さらに上昇するような特性を有し、かつ、最低溶融粘度が1×10Pa・s以上1×10Pa・s以下の範囲内である。
 最低溶融粘度が上記下限値以上であると、エポキシ樹脂(A)と無機充填材(B)とが分離し、エポキシ樹脂(A)のみが流動してしまうことを抑制でき、より均質な絶縁樹脂層102を得ることができる。
 また、最低溶融粘度が上記上限値以下であると、エポキシ樹脂組成物の金属基板101への濡れ性を向上でき、絶縁樹脂層102と金属基板101との密着性をより一層向上できる。
 これらの相乗効果により、金属ベース基板100の放熱性および絶縁破壊電圧をより一層向上できる。さらに、金属ベース基板100のヒートサイクル特性をより一層向上させることができる。
 また、本実施形態のエポキシ樹脂組成物は、好ましくは最低溶融粘度に到達する温度が60℃以上100℃以下の範囲内である。
 また、本実施形態のエポキシ樹脂組成物は、フロー率が好ましくは15%以上60%未満である。フロー率は、以下の手順で測定することができる。まず、本実施形態のエポキシ樹脂組成物により形成された樹脂層を有する金属箔を所定のサイズ(50mm×50mm)に裁断後5~7枚積層し、その重量を測定する。次に、内部温度を175℃に保持した熱盤間で5分間プレスした後冷却し、流れ出た樹脂を丁寧に落として再び重量を測定する。フロー率は次式(I)により求めることができる。
 フロー率(%)=(測定前重量-測定後重量)/(測定前重量-金属箔重量) (I)
 このような粘度挙動を有すると、エポキシ樹脂組成物を加熱硬化して絶縁樹脂層102を形成する際に、エポキシ樹脂組成物中に空気が侵入するのを抑制できるとともに、エポキシ樹脂組成物中に溶けている気体を十分に外部に排出できる。その結果、絶縁樹脂層102に気泡が生じてしまうことを抑制でき、絶縁樹脂層102から金属基板101へ確実に熱を伝えることができる。また、気泡の発生が抑制されることにより、金属ベース基板100の絶縁信頼性を高めることができる。また、絶縁樹脂層102と金属基板101との密着性を向上できる。
 これらの相乗効果により、金属ベース基板100の放熱性をより一層向上でき、その結果、金属ベース基板100のヒートサイクル特性をより一層向上させることができる。
 このような粘度挙動を有するエポキシ樹脂組成物を実現するためには、例えば、前述したエポキシ樹脂(A)の種類や量、無機充填材(B)の種類や量、フェノキシ樹脂(C)の種類や量を適宜調整すればよい。特に、ナフタレン型エポキシ樹脂等の流動性の良い樹脂を使うことにより、上記のような粘度特性が得られやすい。
 次に、絶縁樹脂層102の物性について説明する。
 絶縁樹脂層102は、高い熱伝導性を有する。具体的には、レーザーフラッシュ法により測定される、絶縁樹脂層102の厚み方向の熱伝導率が3.0W/(m・k)以上であることが好ましく、5.0W/(m・k)以上であることがより好ましい。
 これにより、電子部品からの熱を、絶縁樹脂層102を介して、金属基板101に伝達させやすくすることができる。
 また、絶縁樹脂層102は、剛性が高まり、絶縁樹脂層102の反りを低減でき、その結果、電子部品の金属ベース基板100に対する位置ずれを抑制でき、電子部品と金属ベース基板100との間の接続信頼性をより一層高めることができる観点から、好ましくはガラス転移温度が100℃以上150℃以下である。絶縁樹脂層102のガラス転移温度は、JIS C 6481に基づいて、以下のようにして計測できる。
 動的粘弾性測定装置(ティー・エイ・インスツルメント社製DMA/983)を用いて窒素雰囲気(200ml/分)のもと引っ張り荷重をかけて、周波数1Hz、-50℃から300℃の温度範囲を昇温速度5℃/分の条件で測定し、tanδのピーク位置よりガラス転移温度Tgを得る。
 また、絶縁樹脂層102の25℃の弾性率(貯蔵弾性率)E'は、剛性が高まり、絶縁樹脂層102の反りを低減でき、その結果、電子部品の回路基板に対する位置ずれを抑制でき、電子部品と回路基板との間の接続信頼性をより一層高めることができる観点から、30GPa以上70GPa以下であることが好ましい。
 なお、上記貯蔵弾性率は、動的粘弾性測定装置で測定したものである。
 貯蔵弾性率E'は、絶縁樹脂層102に引張り荷重をかけて、周波数1Hz、昇温速度5~10℃/分で-50℃から300℃で測定した際の、25℃の貯蔵弾性率の値である。
<金属ベース基板の製造方法>
 以上のような金属ベース基板100は、たとえば、以下のようにして製造することができる。
 すなわち、本実施形態の金属ベース基板100は、まず樹脂層付きキャリア材料を作製し、この樹脂層付きキャリア材料を金属基板101に積層する。
 まず、キャリア材料上に樹脂層を形成し、樹脂層付きキャリア材料を得る。
 キャリア材料は、たとえば、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の樹脂フィルム;銅箔等の金属箔等である。キャリア材料の厚みは、たとえば、10~500μmである。
 次いで、樹脂層付きキャリア材料の樹脂層側の面が金属基板101の表面に接するように樹脂層付きキャリア材料を金属基板101に積層する。その後、プレス等を用い樹脂層を加圧・加熱硬化させて樹脂層をBステージ状態とする。
 次いで、Bステージ状態の樹脂層からキャリア材料を除去し、露わになった樹脂層の表面に金属層103を形成する。なお、キャリア材料として銅箔を用いる場合は、このキャリア材料をそのまま金属層103とすることができる。
 なお、樹脂層と金属基板101、あるいは樹脂層と金属層103との間には、接着層等の他の層が介在していてもよい。
 その後、樹脂層を後硬化することにより、絶縁樹脂層102を形成する。
 また、キャリア材料として銅箔を用い、当該金属箔をそのまま金属層103とする場合、金属層103はロールから押し出された銅箔とすることができる。
 このようにすることで、生産効率の向上を図ることができる。
<金属ベース回路基板>
 得られた金属ベース基板100を、金属層103を所定のパターンにエッチング等することによって、回路加工することができ、金属ベース回路基板を得ることができる。
 また、最外層にソルダーレジスト10(図2参照)を形成し、露光・現像により電子部品が実装できるよう接続用電極部を露出してもよい。
<電子装置>
 本実施形態の金属ベース回路基板上に電子部品を設けることにより電子装置11を得ることができる。
 本実施形態において、電子装置11は半導体装置であり、たとえば、パワー半導体装置、LED照明、インバーター装置である。
 ここで、インバーター装置とは、直流電力から交流電力を電気的に生成する(逆変換する機能を持つ)ものである。また、パワー半導体装置とは、通常の半導体素子に比べて高耐圧化、大電流化、高速・高周波化されている特徴を有し、一般的にはパワーデバイスと呼ばれ、整流ダイオード、パワートランジスタ、パワーMOSFET、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)、トライアック等が挙げられる。
 電子部品は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ダイオード、ICチップ等の半導体素子、抵抗、コンデンサ等の各種発熱素子である。金属ベース基板100はヒートスプレッターとして機能する。
 ここで、電子装置11の一例について、図2を参照しながら説明する。
 本実施形態の電子装置11において、金属ベース回路基板の金属層103a上に、接着層3を介してICチップ2が搭載されている。ICチップ2はボンディングワイヤー7を介して金属層103bに導通されている。
 また、ICチップ2、ボンディングワイヤー7、金属層103a、103bは封止材6により封止されている。
 また、電子装置11においては、チップコンデンサ8およびチップ抵抗9が金属層103上に搭載されている。これらのチップコンデンサ8およびチップ抵抗9は従来から公知のものを使用することができる。
 また、電子装置11の金属基板101は熱伝導グリス4を介して、放熱フィン5に接続されている。すなわち、ICチップ2の発した熱を、接着層3、金属層103a、絶縁樹脂層102、金属基板101、熱伝導グリス4とを介して、放熱フィン5へと伝導させ、除熱を行うことができる。
 なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
 以下、本発明を実施例および比較例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例では、部はとくに特定しない限り、質量部を表す。また、それぞれの厚みは平均膜厚で表される。
[エポキシ樹脂組成物Aの調製]
 ビスフェノールF骨格とビスフェノールA骨格を有するフェノキシ樹脂(三菱化学社製、4275、重量平均分子量6.0×10、ビスフェノールF骨格とビスフェノールA骨格の比率=75:25)3.9質量部、ビスフェノールF型エポキシ樹脂(DIC社製、830S、エポキシ当量170)3.0質量部、ナフタレン型エポキシ樹脂(DIC社製、HP-6000、エポキシ当量250:化学式(10)において、Rがいずれも水素原子で、n=1である成分とn=2である成分との混合物)3.0質量部、ジシアンジアミド(デグサ社製)0.3質量部、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン社製、KBM-403)1.3質量部、球状アルミナ(平均粒子径22μm、円形度:0.91、新日鉄住金マテリアルズ社製、AX-25)67.3質量部、多面体状アルミナ(平均粒子径4μm、円形度:0.75、日本軽金属社製、LS-210)13.2質量部、多面体状アルミナ(平均粒子径0.7μm、円形度:0.71、日本軽金属社製、LS-250)8.0質量部、をシクロヘキサノンに溶解・混合させ、高速撹拌装置を用い撹拌して、固形分基準で86質量%のワニス状のエポキシ樹脂組成物Aを得た。
 なお、アルミナの円形度は、Sysmex社製のフロー式粒子像解析装置「FPIA-3000」を用い測定した。測定試料は、蒸溜水50~100mlに界面活性剤を適正量添加し、これにアルミナ粒子10~20mgを添加した後、超音波分散器で1分間分散処理することにより作製した。円形度は、フロー式粒子像解析装置「FPIA-3000」が、一個の粒子投影像の周囲長と粒子投影像の面積に相当する円の周囲長を解析し、次式により円形度を求め、20000個当たりの平均値を自動算出したものである。また、以下に示すエポキシ樹脂組成物B~Dについても、同様の条件にて測定を実施している。
 円形度=(粒子投影像の面積に相当する円の周囲長)/(粒子投影像の周囲長)
[エポキシ樹脂組成物Bの調製]
 ビスフェノールF骨格とビスフェノールA骨格を有するフェノキシ樹脂(三菱化学社製、4275、重量平均分子量6.0×10、ビスフェノールF骨格とビスフェノールA骨格の比率=75:25)3.9質量部、ビスフェノールF型エポキシ樹脂(DIC社製、830S、エポキシ当量170)3.0質量部、ナフタレン型エポキシ樹脂(DIC社製、HP-6000、エポキシ当量250:化学式(10)において、Rがいずれも水素原子で、n=1である成分とn=2である成分との混合物)3.0質量部、ジシアンジアミド(デグサ社製)0.3質量部、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン社製、KBM-403)1.3質量部、球状アルミナ(平均粒子径16μm、円形度:0.93、昭和電工社製、CB-P15)67.3質量部、多面体状アルミナ(平均粒子径4μm、円形度:0.75、日本軽金属社製、LS-210)13.2質量部、多面体状アルミナ(平均粒子径0.7μm、円形度:0.71、日本軽金属社製、LS-250)8.0質量部、をシクロヘキサノンに溶解・混合させ、高速撹拌装置を用い撹拌して、固形分基準で86質量%のワニス状のエポキシ樹脂組成物Bを得た。
[エポキシ樹脂組成物Cの調製]
 ビスフェノールF骨格とビスフェノールA骨格を有するフェノキシ樹脂(三菱化学社製、4275、重量平均分子量6.0×10、ビスフェノールF骨格とビスフェノールA骨格の比率=75:25)3.9質量部、ビスフェノールF型エポキシ樹脂(DIC社製、830S、エポキシ当量170)3.0質量部、ナフタレン型エポキシ樹脂(DIC社製、HP-6000、エポキシ当量250:化学式(10)において、Rがいずれも水素原子で、n=1である成分とn=2である成分との混合物)3.0質量部、ジシアンジアミド(デグサ社製)0.3質量部、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン社製、KBM-403)1.3質量部、球状アルミナ(平均粒子径8μm、円形度:0.89、電気化学工業社製、DAW-075)66.4質量部、多面体状アルミナ(平均粒子径3μm、円形度:0.79、住友化学社製、スミコランダムAA-3)8.8質量部、多面体状アルミナ(平均粒子径0.4μm、円形度:0.79、住友化学社製、スミコランダムAA-04)13.3質量部、をシクロヘキサノンに溶解・混合させ、高速撹拌装置を用い撹拌して、固形分基準で86質量%のワニス状のエポキシ樹脂組成物Cを得た。
[エポキシ樹脂組成物Dの調製]
 実施例1のナフタレン型エポキシ樹脂(DIC社製、HP-6000、エポキシ当量250:化学式(10)において、Rがいずれも水素原子で、n=1である成分とn=2である成分との混合物)の代わりにビフェニル型エポキシ樹脂(三菱化学社製、YL6121H、エポキシ当量175:下記化学式において、R=HとR=CHの化合物が1:1となる混合物)に置きかえた以外は同様にしてワニス状のエポキシ樹脂組成物Dを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000014
(実施例1)
[金属ベース基板の作製]
 金属箔として、厚さ210μmの銅箔(JX日鉱日石金属社製、JTC-210)を用い、銅箔の粗化面にワニス状のエポキシ樹脂組成物Aをコンマコーターにて塗布し、100℃で3分、150℃で3分加熱乾燥し、樹脂厚80μmの樹脂付き銅箔を得た。
 上記樹脂付き銅箔と、厚さ4.5mmの炭化珪素含有アルミニウム合金板(東金属産業社製、デュラルキャン20%(熱膨張係数:17.5ppm/K))を張り合わせ、真空プレスで、プレス圧100kg/cmで80℃30分、180℃60分の条件下でプレスし、金属ベース基板を得た。
(実施例2)
 エポキシ樹脂組成物Aをエポキシ樹脂組成物Bに変更した以外は、実施例1と同様に金属ベース基板を得た。
(実施例3)
 エポキシ樹脂組成物Aをエポキシ樹脂組成物Cに変更した以外は、実施例1と同様に金属ベース基板を得た。
(実施例4)
 エポキシ樹脂組成物Aをエポキシ樹脂組成物Dに変更した以外は、実施例1と同様に金属ベース基板を得た。
(実施例5)
 樹脂付き銅箔を得た後に、厚さ4.5mmの炭化珪素含有アルミニウム合金板(東金属産業社製、デュラルキャン30%(熱膨張係数:14.4ppm/K))を張り合わせて加熱・加圧した以外は、実施例1と同様に金属ベース基板を得た。
(比較例1)
 樹脂付き銅箔を得た後に、厚さ500μmのアルミニウム板(日本軽金属社製、#5052(熱膨張係数:23.8ppm/K))を張り合わせて加熱・加圧した以外は、実施例1と同様に金属ベース基板を得た。
(比較例2)
 樹脂付き銅箔を得た後に、厚さ500μmのステンレス板(SUS403製、熱膨張係数:9.9ppm/K)を張り合わせて加熱・加圧した以外は、実施例1と同様に金属ベース基板を得た。
 実施例1~5および比較例1~2で得られた金属ベース基板について、以下の評価を行った。評価結果は表1に示した通りである。
(1)反り評価
 金属ベース基板を10cm×10cmにグラインダーソーやウォータージェットソーでカットした後、得られた試料を、-40℃30分~+125℃30分を1サイクルとして3000サイクル処理し、当該処理の前後の反り量を測定した。具体的には、凸面を上に定盤に乗せ、定盤面と試料の最大距離を測定した。この最大距離が0.8mm未満であるものを○、0.8mm以上1.5mm未満であるものを△、1.5mm以上であるものを×として評価した。
(2)ヒートサイクル試験
 実施例1~5および比較例1~2で得られた金属ベース基板上に、絶縁シート、Cu製のリードフレームを配置した。絶縁シートとしては古河電工社製のエフコTMシートHFを使用した。その後、リードフレームのダイパッド部と、電子部品とを半田(材料Sn-3.0Ag-0.5Cu)を介して接合した。
 以上のようにして、電子装置3個を用意して、ヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験は、-40℃5分~+125℃5分を1サイクルとして3000回行なった。ヒートサイクル試験後、顕微鏡で半田部分のクラック率を観察した。
 電子装置3個のうち1つでもクラック率が100%となったものがある場合を不良(×)とし、電子装置3個のいずれもがクラック率が100%未満のものを良好(○)と判定した。
 ここで、半田部分のクラック率とは、部品接合部の半田部分のクラック進行率をいう。クラックが進み基板との接続が完全に断線した場合を100%とした比率である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
 表1にて示されたように、実施例1~5によって得られた金属ベース基板は、発明は温度変化の大きい過酷な環境に置いた際にも十分に反りが抑制された。
 この出願は、2014年4月21日に出願された日本出願特願2014-087492号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (6)

  1.  金属基板と、前記金属基板上に設けられた絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層上に設けられた金属層とを備える金属ベース基板であって、
     前記金属層は銅から構成され、
     前記金属基板は、炭化珪素を含むアルミニウム合金から構成される、金属ベース基板。
  2.  前記金属基板を構成するアルミニウム合金の熱膨張係数は11ppm/K以上18ppm/K以下である、請求項1に記載の金属ベース基板。
  3.  前記金属基板の厚みが200μm以上20mm以下である、請求項1または2に記載の金属ベース基板。
  4.  前記絶縁樹脂層の厚みが40μm以上300μm以下である、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の金属ベース基板。
  5.  請求項1ないし4のいずれか一項に記載の金属ベース基板の前記金属層が回路加工されてなる金属ベース回路基板。
  6.  請求項5に記載の金属ベース回路基板と、
     当該金属ベース回路基板上に設けられた電子部品と、
    を備える電子装置。
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