WO2021201119A1 - 金属ベース基板 - Google Patents

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substrate
thickness
metal base
base substrate
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史朗 石川
原 慎太郎
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三菱マテリアル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a metal base substrate.
  • the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2020-065162 filed in Japan on March 31, 2020, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • a metal-based substrate is known as one of the substrates for mounting electronic components such as semiconductor elements and LEDs.
  • the metal base substrate is a laminate in which a metal substrate, an insulating layer, and a circuit layer are laminated in this order.
  • the insulating layer is generally formed of an insulating composition containing a resin having excellent insulating properties and withstand voltage properties and an inorganic filler having excellent thermal conductivity.
  • Electronic components are mounted on the circuit layer via solder.
  • the heat generated in the electronic component is transferred to the metal substrate via the insulating layer and dissipated from the metal substrate to the outside.
  • Patent Document 1 In a metal base substrate, if the difference in thermal expansion coefficient between the metal base substrate and the electronic component bonded to the metal base substrate via solder is large, the electronic component is turned on / off and the cold heat cycle due to the external environment causes electrons. The stress applied to the solder that joins the component and the metal base substrate increases, and solder cracks may occur. Therefore, it has been studied to reduce the elastic modulus of the insulating layer of the metal base substrate and to alleviate the difference in the coefficient of thermal expansion between the metal substrate of the metal base substrate and the electronic component by the insulating layer (Patent Document 1, 2).
  • the elastic modulus of the insulating layer of the metal base substrate is lowered to make the insulating layer more easily deformed. Therefore, it is effective to relax the thermal stress due to the expansion of the metal base substrate.
  • the stress on the solder due to the expansion of the circuit layer also exists, there is a limit to improving the reliability for the thermal cycle only by lowering the elastic modulus of the insulating layer of the metal base substrate.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a metal base substrate having excellent reliability for a cooling / heating cycle when an electronic component is mounted.
  • the metal base substrate is a metal base substrate in which a metal substrate, an insulating layer, and a circuit layer are laminated in this order, and the insulating layer is comprises an insulating resin and an inorganic filler, wherein the metal substrate is, if the thickness is a copper substrate of less than 1600 .mu.m, a is 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ defined by the following formula (I) in the 10 8 within the range, the metal substrate is, if the thickness is a copper substrate than 1600 .mu.m, B is 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ defined by the following formula (II) located 10 8 within the range, the metal substrate is, if the thickness is aluminum substrate of less than 1600 .mu.m, C is 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 which is defined by the following equation (III) When the metal substrate is within the range of 8 or less and the metal substrate is an aluminum substrate having a thickness
  • k 1 is the elastic modulus of the insulating layer at 100 ° C. (unit: GPa)
  • k 2 is the elastic modulus of the circuit layer at 100 ° C. (unit: GPa)
  • t 1 is.
  • t 2 represents the thickness of the circuit layer (unit: ⁇ m)
  • t 3 represents the thickness of the metal substrate (unit: ⁇ m).
  • the values A to D calculated by the above formulas (I) to (IV) are obtained by mounting electronic components such as semiconductor elements and LEDs on the metal base substrate using solder.
  • the value of their a ⁇ D is in the 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 8 within the following ranges ,
  • the Mieses stress applied to the solder generated when the cold cycle is applied becomes smaller.
  • the binding force of the circuit layer by the insulating layer does not decrease. Therefore, the metal base substrate of the present invention is excellent in reliability for the cooling and heating cycle when electronic components are mounted.
  • the ratio of the thickness (unit: ⁇ m) to the elastic modulus (unit: GPa) at 100 ° C. of the insulating layer is 10 or more.
  • the thickness / elastic modulus of the insulating layer is as large as 10 or more, the insulating layer is easily deformed, and the difference in the coefficient of thermal expansion between the metal substrate and the electronic component due to the thermal cycle is easily relaxed by the insulating layer. Therefore, this metal base substrate has higher reliability for the cooling / heating cycle when electronic components are mounted.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a metal base substrate according to an embodiment of the present invention.
  • the metal base substrate 10 is a laminate in which a metal substrate 20, an insulating layer 30, and a circuit layer 40 are laminated in this order.
  • the electrode terminals 61 of the electronic component 60 are connected to the circuit layer 40 of the metal base substrate 10 via the solder 50.
  • the metal substrate 20 is a member that serves as a base for the metal base substrate 10.
  • the metal substrate 20 is a copper substrate or an aluminum substrate.
  • the copper substrate is made of copper or a copper alloy.
  • the aluminum substrate is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the insulating layer 30 is a layer for insulating the metal substrate 20 and the circuit layer 40.
  • the insulating layer 30 is formed of an insulating resin composition containing an insulating resin 31 and an inorganic filler 32.
  • the circuit layer 40 to the metal substrate 20 are formed while maintaining the insulating property. It is possible to further reduce the thermal resistance of the entire metal base substrate 10 up to.
  • the insulating resin 31 preferably contains a polyimide resin, a polyamide-imide resin, or a mixture thereof. Since these resins are excellent in properties such as insulation, withstand voltage, chemical resistance and mechanical properties, these properties of the metal base substrate 10 are improved.
  • the inorganic filler 32 preferably has an average particle size in the range of 0.1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the thermal conductivity of the insulating layer 30 is improved.
  • the average particle size of the inorganic filler 32 is 20 ⁇ m or less, the withstand voltage resistance of the insulating layer 30 is improved.
  • the average particle size of the inorganic filler 32 is within the above range, the inorganic filler 32 is less likely to form aggregated particles, and the inorganic filler 32 is easily dispersed uniformly in the insulating resin 31.
  • the withstand voltage of the insulating layer 30 is improved.
  • the average particle size of the inorganic filler 32 is preferably in the range of 0.3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the content of the inorganic filler 32 in the insulating layer 30 is preferably in the range of 50% by volume or more and 85% by volume or less.
  • the thermal conductivity of the insulating layer 30 is improved.
  • the content of the inorganic filler 32 is 85% by volume or less, the withstand voltage resistance of the insulating layer 30 is improved.
  • the inorganic filler 32 can be easily dispersed uniformly in the insulating resin 31.
  • the content of the inorganic filler 32 is particularly preferably in the range of 50% by volume or more and 80% by volume or less.
  • Examples of the inorganic filler 32 include alumina (Al 2 O 3 ) particles, alumina hydrate particles, aluminum nitride (AlN) particles, silica (SiO 2 ) particles, silicon carbide (SiC) particles, and titanium oxide (TiO 2 ) particles. Borone nitride (BN) particles and the like can be used.
  • alumina particles are preferable.
  • the alumina particles are more preferably ⁇ -alumina particles.
  • the ratio of tap density to true density (tap density / true density) of ⁇ -alumina particles is preferably 0.1 or more.
  • the tap density / true density correlates with the packing density of ⁇ -alumina particles in the insulating layer 30, and when the tap density / true density is high, the packing density of ⁇ -alumina particles in the insulating layer 30 is increased. Can be done. When the packing density of ⁇ -alumina particles in the insulating layer 30 becomes high, the distance between the ⁇ -alumina particles in the insulating layer 30 becomes narrow, and voids (pores) are less likely to occur in the insulating layer 30.
  • the tap density / true density is preferably in the range of 0.2 or more and 0.9 or less. Further, ⁇ -alumina may be polycrystalline particles, but it is particularly preferable that it is single crystal particles.
  • the insulating layer 30 preferably has a ratio (thickness / elastic modulus) of the thickness (unit: ⁇ m) to the elastic modulus (unit: GPa) at 100 ° C. of 10 or more.
  • the thickness / elastic modulus of the insulating layer 30 is preferably in the range of 10 or more and 200,000 or less, more preferably in the range of 20 or more and 20000 or less, and more preferably in the range of 50 or more and 200 or less. ..
  • the elastic modulus of the insulating layer 30 at 100 ° C. is preferably in the range of 0.001 GPa or more and 1 GPa or less.
  • the thickness of the insulating layer 30 is preferably in the range of 10 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the circuit layer 40 is formed in a circuit pattern.
  • the electrode terminals 61 of the electronic component 60 are joined to the circuit layer 40 formed in the circuit pattern shape via solder 50 or the like.
  • a metal such as copper, aluminum, or gold can be used.
  • the circuit layer 40 is preferably made of copper foil.
  • the circuit layer 40 preferably has an elastic modulus in the range of 30 GPa or more and 200 GPa or less. Further, the circuit layer 40 preferably has a thickness in the range of 2 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • a copper substrate metal substrate 20 if the thickness is less than 1600 ⁇ m are, A is, 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 8 defined by the following formula (I) It is set to be within the following range. Further, a copper substrate metal substrate 20, if the thickness is greater than or equal to 1600 ⁇ m, it B as defined in formula (II) below, the range of 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 8 or less It is set to be inside.
  • an aluminum substrate metal substrate 20 if the thickness is less than 1600 ⁇ m are, C is in the range of 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 8 or less, which is defined by the following formula (III) It is set to be inside. Further, an aluminum substrate metal substrate 20, if the thickness is more than 1600 ⁇ m is, D is in the range of 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 8 or less, which is defined by the following formula (IV) It is set to be inside.
  • k 1 is the elastic modulus of the insulating layer at 100 ° C. (unit: GPa)
  • k 2 is the elastic modulus of the circuit layer at 100 ° C. (unit: GPa)
  • t 1 is.
  • t 2 represents the thickness of the circuit layer (unit: ⁇ m)
  • t 3 represents the thickness of the metal substrate (unit: ⁇ m).
  • the values A to D calculated by the formulas (I) to (IV) are the Mises stress applied to the solder 50 during the cooling / heating cycle when the electronic component 60 is mounted on the metal base substrate 10 using the solder 50.
  • the value of A ⁇ D is a 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 8 within the range
  • the von Mises stress applied to the solder 50 during thermal cycling is typically , 0.50 ⁇ 10 8 Pa or more and 3.10 ⁇ 10 8 Pa or less. Therefore, cracks are less likely to occur in the solder 50 when the cooling / heating cycle is applied.
  • the binding force of the circuit layer 40 by the insulating layer 30 is less likely to decrease. Therefore, the stress applied to the solder 50 from the circuit layer 40 can be suppressed.
  • the thickness of the metal substrate 20, the insulating layer 30, and the circuit layer 40 of the metal base substrate 10 can be measured, for example, as follows.
  • the metal base substrate 10 is embedded with resin and the cross section is exposed by mechanical polishing. Next, the cross section of the exposed metal base substrate 10 is observed using an optical microscope, and the thicknesses of the metal substrate 20, the insulating layer 30, and the circuit layer 40 are measured.
  • the elastic modulus (tensile elastic modulus) of the metal substrate 20 of the metal base substrate 10 is measured by a tensile test (JIS Z2241: 2011 metal material tensile test method).
  • the elastic modulus of the circuit layer 40 is measured by a resonance method (device: TE-RT manufactured by Nippon Techno Plus Co., Ltd., etc.).
  • the elastic modulus of the insulating layer 30 of the metal base substrate 10 can be measured, for example, as follows.
  • the metal substrate 20 and the circuit layer 40 of the metal base substrate 10 are removed by etching, and the insulating layer 30 is isolated.
  • the elastic modulus (tensile elastic modulus) of the obtained insulating layer 30 is measured by dynamic viscoelasticity measurement (DMA).
  • DMA dynamic viscoelasticity measurement
  • Examples of the electronic component 60 mounted on the metal base substrate 10 of the present embodiment are not particularly limited, and examples thereof include a semiconductor element, a resistor, a capacitor, and a crystal oscillator.
  • semiconductor elements include MOSFETs (Metal-oxide-semiconductor field effect transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), LSIs (Large Scale Integration), LEDs (light emitting diodes), LED chips, and LED-CSPs (LED-Chips). Size Package).
  • the metal base substrate 10 according to the present embodiment can be manufactured by, for example, a method including a design step, an insulating layer forming step, and a circuit layer crimping step.
  • the material and thickness of the metal substrate 20, the material and thickness of the insulating layer 30, and the material and thickness of the circuit layer 40 are set.
  • the material and thickness of the metal substrate 20, the material and thickness of the insulating layer 30, and the material and thickness of the circuit layer 40 are temporarily set.
  • the material and thickness of the metal substrate 20 are tentatively set based on, for example, the heat dissipation and the size required for the metal base substrate 10.
  • the material and thickness of the insulating layer 30 are tentatively set based on, for example, the insulating property and withstand voltage property required for the metal base substrate 10.
  • the material and thickness of the circuit layer 40 are tentatively set, for example, based on the electrical characteristics of the electronic component 60 mounted on the metal base substrate 10.
  • the thickness of the material of the temporarily set metal substrate 20, the elastic modulus and thickness of the material of the insulating layer 30 at 100 ° C., and the elastic modulus and thickness of the material of the circuit layer 40 at 100 ° C. are determined by the above formulas (I) to. Substitute into any of (IV) to calculate A to D. If the value of the resulting A ⁇ D exceeds 1 ⁇ 10 8 less than or 3.10 ⁇ 10 8, material and thickness of the metal substrate 20, the material and thickness of the insulating layer 30, the material and thickness of the circuit layer 40 Temporarily set again. If the value of A ⁇ D became 1 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 8 within the range, material and thickness of the metal substrate 20, the insulating layer 30 material and thickness, and material of the circuit layer 40 The metal base substrate 10 is manufactured with a thickness.
  • the insulating layer 30 is formed on the metal substrate 20 to obtain a metal substrate with an insulating layer.
  • a coating method or an electrodeposition method can be used as a method for forming the insulating layer 30, a coating method or an electrodeposition method can be used.
  • the coating method is a method in which a coating liquid containing a solvent, an insulating resin, and an inorganic filler is applied onto a metal substrate 20 to form a coating layer, and then the coating layer is heated to obtain an insulating layer 30.
  • an inorganic filler-dispersed resin material solution containing a resin material solution in which the insulating resin is dissolved and an inorganic filler dispersed in the resin material solution can be used.
  • a spin coating method As a method of applying the coating liquid to the surface of the substrate, a spin coating method, a bar coating method, a knife coating method, a roll coating method, a blade coating method, a die coating method, a gravure coating method, a dip coating method and the like can be used.
  • the metal substrate 20 is immersed in an electrodeposition liquid containing insulating resin particles and an inorganic filler, and the insulating resin particles and the inorganic filler are electrodeposited on the surface of the substrate to form an electrodeposition film, and then obtained.
  • This is a method of heating the electrodeposited film to form the insulating layer 30.
  • the electrodeposition solution is an inorganic filler-dispersed insulating resin solution containing an insulating resin solution and an inorganic filler dispersed in the insulating resin solution, and a poor solvent for the insulating resin material is added to precipitate the insulating resin as particles. Can be used as prepared by.
  • a metal foil is laminated on the insulating layer 30 of the metal substrate with an insulating layer, and the obtained laminate is pressurized while being heated to form the circuit layer 40 to form the metal base substrate 10.
  • the heating temperature of the laminate is, for example, 200 ° C. or higher, more preferably 250 ° C. or higher.
  • the upper limit of the heating temperature is less than the thermal decomposition temperature of the insulating resin, preferably 30 ° C. or lower than the heat component temperature.
  • the pressure applied during crimping is, for example, in the range of 1 MPa or more and 30 MPa or less, and more preferably in the range of 3 MPa or more and 25 MPa or less.
  • the crimping time varies depending on the heating temperature and pressure, but is generally 60 minutes or more and 180 minutes or less.
  • the values A to D calculated by the above formulas (I) to (IV) are obtained by using the solder 50 on the metal base substrate 10, respectively.
  • the electronic component 60 When the electronic component 60 is mounted, it has a high correlation with the Mises stress applied to the solder 50 during the cooling / heating cycle.
  • the value of A ⁇ D is in the 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 8 within the range, is applied when imparting thermal cycle
  • the Mises stress of the solder 50 is reduced.
  • the binding force of the circuit layer 40 by the insulating layer 30 does not decrease. Therefore, according to the metal base substrate 10 of the present embodiment, the reliability of the cooling / heating cycle when the electronic component 60 is mounted is excellent.
  • the insulating layer 30 when the ratio of the thickness (unit: ⁇ m) of the insulating layer 30 to the elastic modulus (unit: GPa) at 100 ° C. is 10 or more, the insulating layer 30 is easily deformed. Therefore, the difference in the coefficient of thermal expansion between the metal substrate 20 and the electronic component 60 due to the thermal cycle can be easily alleviated by the insulating layer 30. Therefore, the reliability of the metal base substrate 10 with respect to the cooling / heating cycle when the electronic component 60 is mounted is further improved.
  • Example 1 of the present invention The content ratio of the polyimide and the ⁇ -alumina powder in the solid material (insulating layer) produced by heating the polyimide solution and the ⁇ -alumina powder (crystal structure: single crystal, average particle size: 0.7 ⁇ m) is 60% by volume. It was mixed so as to be. A solvent was added to the obtained mixture, and the mixture was diluted so that the concentration of polyimide was 5% by mass. Subsequently, the obtained diluted mixture was dispersed by repeating a high-pressure injection treatment at a pressure of 50 MPa 10 times using a star burst manufactured by Sugino Machine Limited to prepare a coating liquid for forming an insulating layer.
  • a copper substrate (composition: C1100, tough pitch copper) having a thickness of 1000 ⁇ m and a length of 30 mm and a width of 20 mm was prepared.
  • a coating liquid for forming an insulating layer was applied to the surface of this copper substrate by a bar coating method to form a coating layer.
  • the copper substrate on which the coating layer was formed was placed on a hot plate, the temperature was raised from room temperature to 60 ° C. at 3 ° C./min, heated at 60 ° C. for 100 minutes, and then further to 120 ° C. at 1 ° C./min. The temperature was raised and the coating layer was dried by heating at 120 ° C. for 100 minutes. Then, the copper substrate was heated at 250 ° C.
  • a copper substrate with an insulating layer having a thickness of 30 ⁇ m was produced in which an insulating layer made of a polyimide resin in which ⁇ -alumina single crystal particles were dispersed was formed on the surface of the copper substrate.
  • a copper foil having a thickness of 140 ⁇ m (elastic modulus at 100 ° C.: 75 GPa) was superposed and laminated on the insulating layer of the obtained copper substrate with an insulating layer.
  • the obtained laminate was heated in vacuum at a pressure bonding temperature of 300 ° C. for 120 minutes while applying a pressure of 5 MPa using a carbon jig, and the insulating layer and the copper foil were pressure-bonded. In this way, a copper base substrate in which a copper substrate, an insulating layer, and a copper foil were laminated in this order was produced.
  • the thickness of the insulating layer of the obtained copper base substrate and the elastic modulus of the insulating layer at 100 ° C. were measured as follows. The results are shown in Table 1.
  • the copper base substrate was embedded with resin and the cross section was exposed by mechanical polishing. Next, the cross section of the exposed metal base substrate was observed using an optical microscope, and the thickness of the insulating layer was measured.
  • Examples 15, 16, 22, 27 of the present invention Examples of the present invention except that the thickness of the copper substrate, the thickness of the insulating layer and the elastic modulus at 100 ° C., and the thickness of the circuit layer and the elastic modulus at 100 ° C. are changed to the values shown in Tables 1 and 2 below, respectively.
  • a metal base substrate was produced in the same manner as in 1.
  • the elastic modulus of the insulating layer was adjusted by changing the filling amount of the filler and the type of resin used as the matrix.
  • FIGS. 2 and 3 show a schematic diagram of the joint structure used for calculating the simulation value of Mises stress.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the joined structure
  • FIG. 3 is a plan view of the joined structure shown in FIG.
  • the bonded structure 1S includes a metal base substrate 10S and an electronic component 60S bonded to a corner portion of the metal base substrate 10S.
  • the metal base substrate 10S is a laminate in which the metal substrate 20S, the insulating layer 30S, and the copper foil 40S are laminated in this order.
  • the copper foil 40S is entirely formed on the insulating layer 30S.
  • the electronic component 60S includes an AIN (aluminum nitride) member 62S and a terminal S61.
  • the electronic component 60S is an LED chip.
  • the electronic component 60S and the copper foil 40S of the metal base substrate 10S are connected via the solder 50S.
  • a simulation value of the Mises stress applied to the solder 50S of the joint structure 1S was calculated.
  • the simulated value of Mises stress was calculated using LISA (Sonnenhof Holdings).
  • the characteristics of each member of the joint structure 1S are as follows. The results are shown in Tables 1 and 2.
  • the correlation between the combined data of A and B values and the Mises stress simulation value was evaluated by the least squares method. As a result, the correlation coefficient between the combined data of the A value and the B value and the Mises stress simulation value was 0.95. From the above results, the Mises stress applied to the solder when the electronic components are mounted via the solder on the metal base substrate using the copper substrate can be obtained by using the above formula (I) or formula (II). It was confirmed that it can be predicted with high accuracy.
  • Example 46 of the present invention Comparative Examples 1 and 5
  • An aluminum substrate (composition: alloy number A4032, Al—Si system) is used instead of the copper substrate, and the thickness of the aluminum substrate, the thickness of the insulating layer and the elastic modulus at 100 ° C., and the thickness and elastic modulus of the circuit layer at 100 ° C. are determined, respectively.
  • a metal base substrate was produced in the same manner as in Example 1 of the present invention, except that the values were changed to those shown in Tables 3 and 4 below.
  • the elastic modulus of the insulating layer was adjusted by changing the filling amount of the filler and the type of resin used as the matrix.
  • Sn-Ag-Cu solder is applied on the copper foil of the metal base substrate to form a solder layer of length 2.5 cm x width 2.5 cm x thickness 100 ⁇ m, and 2.5 cm square on the solder layer.
  • both thermal cycle of the present invention example 1,10,15,16,22,27,46 in 0.50 ⁇ 10 8 or more 3.10 ⁇ 10 8 within the following ranges It was confirmed that the reliability of the product is high.
  • Comparative Examples 1 and 5 D value exceeds 3.10 ⁇ 10 8, the reliability against thermal cycle drops. This is because the stress applied from the metal base substrate to the solder by the cooling / heating cycle increases.

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Abstract

本発明の金属ベース基板は、金属基板と、絶縁層と、回路層とがこの順で積層された金属ベース基板であって、前記絶縁層は、絶縁樹脂と無機物フィラーとを含み、絶縁層の100℃における弾性率(単位:GPa)、回路層の100℃における弾性率(単位:GPa)、絶縁層の厚み(単位:μm)、回路層の厚み(単位:μm)、金属基板の厚み(単位:μm)が所定の式を満たすように設定されている。

Description

金属ベース基板
 本発明は、金属ベース基板に関する。
 本願は、2020年3月31日に、日本に出願された特願2020-065162号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 半導体素子やLEDなどの電子部品を実装するための基板の一つとして、金属ベース基板が知られている。金属ベース基板は、金属基板と、絶縁層と、回路層とがこの順で積層された積層体である。絶縁層は、一般に、絶縁性や耐電圧性に優れる樹脂と、熱伝導性に優れる無機物フィラーとを含む絶縁性組成物から形成されている。電子部品は、回路層の上に、はんだを介して実装される。このような構成とされた金属ベース基板では、電子部品にて発生した熱は、絶縁層を介して金属基板に伝達され、金属基板から外部に放熱される。
 金属ベース基板では、金属ベース基板と、その金属ベース基板にはんだを介して接合された電子部品との熱膨張率の差が大きいと、電子部品のオン/オフや外部環境による冷熱サイクルによって、電子部品と金属ベース基板とを接合しているはんだに付与される応力が大きくなり、はんだクラックが発生することがある。このため、金属ベース基板の絶縁層の弾性率を低くして、金属ベース基板の金属基板と電子部品の熱膨張率の差を、絶縁層で緩和させることが検討されている(特許文献1、2)。
特開平11-87866号公報 特開2016-111171号公報
 電子部品を実装したときの冷熱サイクルによるはんだクラックの発生を抑制し、冷熱サイクルに対する信頼性を向上させるために、金属ベース基板の絶縁層の弾性率を低くして、絶縁層を変形しやすくすることにより、金属ベース基板の膨張による熱応力を緩和することは有効である。しかしながら、回路層の膨張によるはんだへの応力も存在しているため、金属ベース基板の絶縁層の弾性率を低くすることだけでは、冷熱サイクルに対する信頼性を向上させるのは限界がある。
 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、電子部品を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性に優れる金属ベース基板を提供することを目的とする。
 上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る金属ベース基板は、金属基板と、絶縁層と、回路層とがこの順で積層された金属ベース基板であって、前記絶縁層は、絶縁樹脂と無機物フィラーとを含み、前記金属基板が、厚みが1600μm未満の銅基板である場合は、下記の式(I)で定義されるAが0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあって、前記金属基板が、厚みが1600μm以上の銅基板である場合は、下記の式(II)で定義されるBが0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあり、前記金属基板が、厚みが1600μm未満のアルミニウム基板である場合は、下記の式(III)で定義されるCが0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあって、前記金属基板が、厚みが1600μm以上のアルミニウム基板である場合は、下記の式(IV)で定義されるDが0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあることを特徴としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 ただし、式(I)~式(IV)において、kは絶縁層の100℃における弾性率(単位:GPa)、kは回路層の100℃における弾性率(単位:GPa)、tは絶縁層の厚み(単位:μm)、tは回路層の厚み(単位:μm)、tは、金属基板の厚み(単位:μm)を表す。
 本発明の金属ベース基板によれば、前記の式(I)~(IV)によって算出されるA~Dの値はそれぞれ、金属ベース基板にはんだを用いて半導体素子やLEDなどの電子部品を実装した際に、冷熱サイクル中にはんだに付与されるミーゼス応力と高い相関を有し、それらのA~Dの値が0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあるので、冷熱サイクルを付与したときに生じるはんだに付与されるミーゼス応力が小さくなる。また、絶縁層の弾性率を過度に低くする必要がないので、絶縁層による回路層の拘束力が低下しない。よって、本発明の金属ベース基板は、電子部品を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性に優れる。
 ここで、本発明の金属ベース基板において、前記絶縁層は、100℃における弾性率(単位:GPa)に対する厚み(単位:μm)の比が10以上であることが好ましい。
 この場合、絶縁層の厚み/弾性率が10以上と大きいので、絶縁層が変形しやすくなり、冷熱サイクルによる金属基板と電子部品の熱膨張率の差を、絶縁層で緩和させやすくなる。よって、この金属ベース基板は、電子部品を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性がより向上する。
 本発明によれば、電子部品を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性に優れる金属ベース基板を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る金属ベース基板の概略断面図である。 ミーゼス応力のシミュレーション値の計算に用いた接合構造体を模式的に示す断面図である。 図2に示す接合構造体の平面図である。
 以下に、本発明の一実施形態について添付した図面を参照して説明する。
 図1は、本発明の一実施形態に係る金属ベース基板の概略断面図である。
 図1において、金属ベース基板10は、金属基板20と、絶縁層30と、回路層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10の回路層40の上には、はんだ50を介して、電子部品60の電極端子61が接続されている。
 金属基板20は、金属ベース基板10のベースとなる部材である。金属基板20は、銅基板もしくはアルミニウム基板である。銅基板は、銅または銅合金からなる。アルミニウム基板は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる。
 絶縁層30は、金属基板20と回路層40とを絶縁するための層である。絶縁層30は、絶縁樹脂31と無機物フィラー32とを含む絶縁性樹脂組成物から形成されている。絶縁層30を、絶縁性が高い絶縁樹脂31と、熱伝導度が高い無機物フィラー32とを含む絶縁性樹脂組成物から形成することによって、絶縁性を維持しつつ、回路層40から金属基板20までの金属ベース基板10全体の熱抵抗をより低減させることができる。
 絶縁樹脂31は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物を含むことが好ましい。これらの樹脂は、絶縁性、耐電圧性、化学的耐性及び機械特性などの特性に優れるので、金属ベース基板10のこれらの特性が向上する。
 無機物フィラー32は、平均粒子径が0.1μm以上20μm以下の範囲内にあることが好ましい。無機物フィラー32の平均粒子径が0.1μm以上であることによって、絶縁層30の熱伝導性が向上する。無機物フィラー32の平均粒子径が20μm以下であることによって、絶縁層30の耐電圧性が向上する。また、無機物フィラー32の平均粒子径が上記の範囲内にあると、無機物フィラー32が凝集粒子を形成しにくく、絶縁樹脂31中に無機物フィラー32を均一に分散させやすくなる。無機物フィラー32が凝集粒子を形成せずに、一次粒子もしくはそれに近い微細な粒子として絶縁樹脂31に分散していると、絶縁層30の耐電圧性が向上する。絶縁層30の熱伝導性を向上させる観点では、無機物フィラー32の平均粒子径は0.3μm以上20μm以下の範囲内にあることが好ましい。
 絶縁層30の無機物フィラー32の含有量は、50体積%以上85体積%以下の範囲内にあることが好ましい。無機物フィラー32の含有量が50体積%以上であることによって、絶縁層30の熱伝導性が向上する。一方、無機物フィラー32の含有量が85体積%以下であることによって、絶縁層30の耐電圧性が向上する。また、無機物フィラー32の含有量が上記の範囲内にあると、絶縁樹脂31中に無機物フィラー32を均一に分散させやすくなる。無機物フィラー32が均一に絶縁樹脂31に分散していると、絶縁層30の機械的強度が向上する。絶縁層30の熱伝導性を向上させる観点では、無機物フィラー32の含有量は、50体積%以上80体積%以下の範囲内にあることが特に好ましい。
 無機物フィラー32としては、アルミナ(Al)粒子、アルミナ水和物粒子、窒化アルミニウム(AlN)粒子、シリカ(SiO)粒子、炭化珪素(SiC)粒子、酸化チタン(TiO)粒子、窒化硼素(BN)粒子などを用いることができる。これらのフィラーの中では、アルミナ粒子が好ましい。アルミナ粒子は、α-アルミナ粒子であることがより好ましい。α-アルミナ粒子は、真密度に対するタップ密度の比(タップ密度/真密度)が0.1以上であることが好ましい。タップ密度/真密度は、絶縁層30中でのα-アルミナ粒子の充填密度と相関し、タップ密度/真密度が高いと、絶縁層30中でのα-アルミナ粒子の充填密度を高くすることができる。絶縁層30中でのα-アルミナ粒子の充填密度が高くなると、絶縁層30中でのα-アルミナ粒子の間隔が狭くなり、絶縁層30にボイド(気孔)が発生しにくくなる。タップ密度/真密度は、0.2以上0.9以下の範囲内にあることが好ましい。また、α-アルミナは、多結晶粒子であってもよいが、単結晶粒子であることが特に好ましい。
 絶縁層30は、100℃における弾性率(単位:GPa)に対する厚み(単位:μm)の比(厚み/弾性率)が10以上であることが好ましい。絶縁層30の厚み/弾性率は、10以上200000以下の範囲内にあることが好ましく、20以上20000以下の範囲内にあることがより好ましく、50以上200以下 の範囲内にあることがより好ましい。絶縁層30の100℃における弾性率は、0.001GPa以上1GPa以下の範囲内にあることが好ましい。また、絶縁層30の厚みは、10μm以上200μm以下の範囲内にあることが好ましい。
 回路層40は、回路パターン状に形成される。その回路パターン状に形成された回路層40の上に、電子部品60の電極端子61がはんだ50等を介して接合される。回路層40の材料としては、銅、アルミニウム、金などの金属を用いることができる。回路層40は銅箔からなることが好ましい。回路層40は、弾性率が30GPa以上200GPa以下の範囲にあることが好ましい。また、回路層40は、厚みが2μm以上200μm以下の範囲にあることが好ましい。
 本実施形態の金属ベース基板10では、金属基板の厚みの範囲、材料に応じて、下記式(I)~(IV)の関係が成り立つ。具体的には、金属基板20が銅基板であり、その厚みが1600μm未満である場合は、下記の式(I)で定義されるAが、0.50×10以上3.10×10以下の範囲内となるように設定されている。また、金属基板20が銅基板であり、その厚みが1600μm以上である場合は、下記の式(II)で定義されるBが、0.50×10以上3.10×10以下の範囲内となるように設定されている。また、金属基板20がアルミニウム基板であり、その厚みが1600μm未満である場合は、下記の式(III)で定義されるCが、0.50×10以上3.10×10以下の範囲内となるように設定されている。また、金属基板20がアルミニウム基板であり、その厚みが1600μm以上である場合は、下記の式(IV)で定義されるDが、0.50×10以上3.10×10以下の範囲内となるように設定されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 ただし、式(I)~式(IV)において、kは絶縁層の100℃における弾性率(単位:GPa)、kは回路層の100℃における弾性率(単位:GPa)、tは絶縁層の厚み(単位:μm)、tは回路層の厚み(単位:μm)、tは、金属基板の厚み(単位:μm)を表す。
 式(I)~(IV)によって算出されるA~Dの値は、金属ベース基板10にはんだ50を用いて電子部品60を実装した際に、冷熱サイクル中にはんだ50に付与されるミーゼス応力と高い相関を有する。金属ベース基板10は、A~Dの値が0.50×10以上3.10×10以下の範囲内とされているので、冷熱サイクル中にはんだ50に付与されるミーゼス応力は、通常、0.50×10Pa以上3.10×10Pa以下の範囲内に抑えられる。このため、冷熱サイクルを付与したときに、はんだ50にクラックが生じにくくなる。また、絶縁層30の弾性率を過度に低くする必要がないので、絶縁層30による回路層40の拘束力が低下しにくくなる。このため、回路層40からはんだ50に付与される応力を抑制することができる。
 金属ベース基板10の金属基板20、絶縁層30および回路層40の厚みは、例えば、次のようにして測定することができる。金属ベース基板10を樹脂埋めし、機械研磨によって断面を露出させる。次いで、露出した金属ベース基板10の断面を、光学顕微鏡を用いて観察して、金属基板20、絶縁層30および回路層40の厚みを測定する。
 金属ベース基板10の金属基板20の弾性率(引張弾性率)は、引張試験(JIS Z2241:2011 金属材料引張試験方法)によって測定する。回路層40の弾性率は共振法(装置:日本テクノプラス株式会社製TE-RTなど)によって測定する。金属ベース基板10の絶縁層30の弾性率は、例えば、次のようにして測定することができる。金属ベース基板10の金属基板20と回路層40をエッチングによって除去し、絶縁層30を単離する。得られた絶縁層30について、動的粘弾性測定(DMA)によって弾性率(引張弾性率)を測定する。
 本実施形態の金属ベース基板10に実装される電子部品60の例としては、特に制限はなく、半導体素子、抵抗、キャパシタ、水晶発振器などが挙げられる。半導体素子の例としては、MOSFET(Metal-oxide-semiconductor field effect transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、LSI(Large Scale Integration)、LED(発光ダイオード)、LEDチップ、LED-CSP(LED-Chip Size Package)が挙げられる。
 以下に、本実施形態に係る金属ベース基板10の製造方法について説明する。
 本実施形態に係る金属ベース基板10は、例えば、設計工程と、絶縁層形成工程と、回路層圧着工程とを含む方法によって製造することができる。
 設計工程では、金属基板20の材料と厚み、絶縁層30の材料と厚み、回路層40の材料と厚みを設定する。
 最初に、金属基板20の材料と厚み、絶縁層30の材料と厚み、回路層40の材料と厚みを仮設定する。金属基板20の材料と厚みは、例えば、金属ベース基板10に要求される放熱性やサイズなどに基づいて仮設定される。絶縁層30の材料と厚みは、例えば、金属ベース基板10に要求される絶縁性、耐電圧性に基づいて仮設定される。回路層40の材料と厚みは、例えば、金属ベース基板10に実装される電子部品60の電気特性に基づいて仮設定される。
 次に、仮設定した金属基板20の材料の厚み、絶縁層30の材料の100℃における弾性率と厚み、回路層40の材料の100℃における弾性率と厚みを、前述の式(I)~(IV)のいずれかに代入して、A~Dを算出する。得られたA~Dの値が1×10未満あるいは3.10×10を超えた場合は、金属基板20の材料と厚み、絶縁層30の材料と厚み、回路層40の材料と厚みを再度仮設定する。A~Dの値が1×10以上3.10×10以下の範囲内となった場合は、その金属基板20の材料と厚み、絶縁層30の材料と厚み、回路層40の材料と厚みで金属ベース基板10を製造する。
 絶縁層形成工程では、金属基板20の上に絶縁層30を形成して、絶縁層付き金属基板を得る。絶縁層30の形成方法としては、塗布法または電着法を用いることができる。
 塗布法は、溶媒と絶縁樹脂と無機物フィラーとを含む塗布液を、金属基板20の上に塗布して塗布層を形成し、次いで塗布層を加熱して絶縁層30を得る方法である。塗布液は、絶縁樹脂が溶解した樹脂材料溶液と、その樹脂材料溶液に分散されている無機物フィラーとを含む無機物フィラー分散樹脂材料溶液を用いることができる。塗布液を基板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、絶縁樹脂粒子と無機物フィラーとを含む電着液に金属基板20を浸漬して、基板の表面に絶縁樹脂粒子と無機物フィラーを電着させて電着膜を形成し、次いで得られた電着膜を加熱して絶縁層30を形成する方法である。電着液としては、絶縁樹脂溶液と、その絶縁樹脂溶液に分散されている無機物フィラーとを含む無機物フィラー分散絶縁樹脂溶液に、絶縁樹脂材料の貧溶媒を加えて絶縁樹脂を粒子として析出させることによって調製したものを用いることができる。
 回路層圧着工程では、絶縁層付き金属基板の絶縁層30の上に金属箔を積層し、得られた積層体を加熱しながら加圧することによって回路層40を形成して、金属ベース基板10を得る。積層体の加熱温度は、例えば、200℃以上であり、250℃以上であることがより好ましい。加熱温度の上限は、絶縁樹脂の熱分解温度未満であり、好ましくは熱分温度よりも30℃低い温度以下である。圧着時に加える圧力は、例えば、1MPa以上30MPa以下の範囲内であり、3MPa以上25MPa以下の範囲内であることがより好ましい。圧着時間は、加熱温度や圧力によって異なるが、一般に60分間以上180分間以下である。
 以上のような構成とされた本実施形態の金属ベース基板10において、前述の式(I)~(IV)によって算出されるA~Dの値はそれぞれ、金属ベース基板10にはんだ50を用いて電子部品60を実装した際に、冷熱サイクル中にはんだ50に付与されるミーゼス応力と高い相関を有する。そして、本実施形態の金属ベース基板10によれば、A~Dの値が0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあるので、冷熱サイクルを付与したときに付与されるはんだ50のミーゼス応力が小さくなる。また、絶縁層30の弾性率を過度に低くする必要がないので、絶縁層30による回路層40の拘束力が低下しない。よって、本実施形態の金属ベース基板10によれば、電子部品60を実装したときの冷熱サイクルに対する信頼性に優れる。
 また、本実施形態の金属ベース基板10においては、絶縁層30の100℃における弾性率(単位:GPa)に対する厚み(単位:μm)の比が10以上であると、絶縁層30が変形しやすくなり、冷熱サイクルによる金属基板20と電子部品60の熱膨張率の差を、絶縁層30で緩和させやすくなる。よって、電子部品60を実装したときの冷熱サイクルに対する金属ベース基板10の信頼性がより向上する。
 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
[本発明例1]
 ポリイミド溶液とα-アルミナ粉末(結晶構造:単結晶、平均粒子径:0.7μm)とを、加熱によって生成する固形物(絶縁層)中のポリイミドとα-アルミナ粉末の含有比率が60体積%となるように混合した。得られた混合物に溶媒を加えて、ポリイミドの濃度が5質量%となるように希釈した。続いて得られた希釈混合物を、株式会社スギノマシン社製スターバーストを用い、圧力50MPaの高圧噴射処理を10回繰り返すことにより分散処理を行って、絶縁層形成用の塗布液を調製した。
 厚み1000μmで縦30mm×横20mmの銅基板(組成:C1100、タフピッチ銅)を用意した。この銅基板の表面に、絶縁層形成用の塗布液をバーコート法により塗布して塗布層を形成した。次いで、塗布層を形成した銅基板をホットプレート上に配置して、室温から3℃/分で60℃まで昇温し、60℃で100分間加熱した後、さらに1℃/分で120℃まで昇温し、120℃で100分間加熱して、塗布層を乾燥させた。次いで、銅基板を250℃で1分間加熱した後、400℃で1分間加熱した。こうして、銅基板の表面に、α-アルミナ単結晶粒子が分散されたポリイミド樹脂からなる絶縁層が形成された厚み30μmの絶縁層付き銅基板を作製した。
 得られた絶縁層付き銅基板の絶縁層の上に、厚み140μmの銅箔(100℃における弾性率:75GPa)を重ね合わせて積層した。次いで、得られた積層体を、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300℃の圧着温度で120分間加熱して、絶縁層と銅箔とを圧着した。こうして、銅基板と絶縁層と銅箔とがこの順で積層された銅ベース基板を作製した。
 得られた銅ベース基板の絶縁層の厚みと絶縁層の100℃における弾性率を下記のようにして測定した。その結果を、表1に示す。
(絶縁層の厚み)
 銅ベース基板を樹脂埋めし、機械研磨によって断面を露出させた。次いで、露出した金属ベース基板の断面を、光学顕微鏡を用いて観察して、絶縁層の厚みを測定した。
(絶縁層の100℃における弾性率)
 銅ベース基板の銅基板と銅箔とをエッチングによって除去し、絶縁膜を単離した。得られた絶縁膜について、動的粘弾性測定装置(固体粘弾性アナライザー RSA-G2(ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン社製))を用いて引張式によって100℃における弾性率を測定した。測定条件は、周波数を1Hz、昇温速度を1℃/Minとした。
[本発明例15、16、22、27]
 銅基板の厚み、絶縁層の厚みと100℃における弾性率、回路層の厚みと100℃における弾性率をそれぞれ、下記の表1及び表2に記載の値に変えたこと以外は、本発明例1と同様にして金属ベース基板を作製した。なお、絶縁層の弾性率は、フィラーの充填量、およびマトリックスとして使用する樹脂の種類を変えることで調整した。
[評価]
(A値またはB値の算出)
 銅基板の厚みが1600μm未満で、絶縁層の厚みと100℃における弾性率、回路層の厚みと100℃における弾性率がそれぞれ下記の表1に示す値である本発明例1~23の金属ベース基板について、前述の式(I)を用いてA値を算出した。その結果を、表1に示す。また、銅基板の厚みが1600μm以上で、絶縁層の厚みと100℃における弾性率、回路層の厚みと100℃における弾性率がそれぞれ下記の表2に示す値である本発明例24~43の金属ベース基板について、前述の式(II)を用いてB値を算出した。その結果を、表2に示す。
(ミーゼス応力のシミュレーション値)
 本発明例1~43で使用した銅基板、絶縁層、銅箔を用いた金属ベース基板に、はんだを介して電子部品を実装したときのはんだに付与されるミーゼス応力のシミュレーション値を算出した。図2及び図3に、ミーゼス応力のシミュレーション値の計算に用いた接合構造体の模式図を示す。図2は、接合構造体の断面図であり、図3は、図2に示す接合構造体の平面図である。図2及び図3に示すように、接合構造体1Sは、金属ベース基板10Sと、金属ベース基板10Sの角部に接合された電子部品60Sとを含む。金属ベース基板10Sは、金属基板20S、絶縁層30Sと、銅箔40Sとがこの順で積層された積層体である。銅箔40Sは絶縁層30Sの上に全体に形成されている。電子部品60Sは、AIN(窒化アルミニウム)部材62Sと端子S61を備える。電子部品60Sは、LEDチップとした。電子部品60Sと金属ベース基板10Sの銅箔40Sとは、はんだ50Sを介して接続されている。この接合構造体1Sのはんだ50Sに付与されるミーゼス応力のシミュレーション値を算出した。ミーゼス応力のシミュレーション値はLISA(Sonnenhof Holdings)を用いて計算した。接合構造体1Sの各部材の特性は、下記の通りとした。その結果を表1と表2に示す。
(1)金属基板20S
 熱膨張係数:1.8×10-5(銅)、2.4×10-5(アルミニウム)
 弾性率:117GPa(銅)、72GPa(アルミニウム)
 ポアソン比:0.343(銅)、0.343(アルミニウム)(2)絶縁層30S
 熱膨張係数:1.0×10-5、ポアソン比:0.343(3)銅箔40S
 熱膨張係数:1.8×10-5、ポアソン比:0.343(4)はんだ50S
 熱膨張係数:2.0×10-5、ポアソン比:0.38、弾性率:30GPa(5)AIN(窒化アルミニウム)部材62S
 熱膨張係数:0.3×10-5、ポアソン比:0.3、弾性率:170GPa(6)被接合部材70S(LEDチップ)
 熱膨張係数:0.7×10-5、ポアソン比:0.25、弾性率:470GPa
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
 A値とB値を合わせたデータと、ミーゼス応力シミュレーション値との相関関係を最小二乗法により評価した。その結果、A値とB値を合わせたデータとミーゼス応力シミュレーション値の相関係数は0.95であった。以上の結果から、銅基板を用いた金属ベース基板に、はんだを介して電子部品を実装したときのはんだに付与されるミーゼス応力は、前述の式(I)または式(II)を用いることによって高い精度で予測できることが確認された。
[本発明例46、比較例1、5]
 銅基板の代わりにアルミニウム基板(組成:合金番号 A4032、Al-Si系)を用い、アルミニウム基板の厚み、絶縁層の厚みと100℃における弾性率、回路層の100℃における厚みと弾性率をそれぞれ、下記の表3及び表4に記載の値に変えたこと以外は、本発明例1と同様にして金属ベース基板を作製した。なお、絶縁層の弾性率は、フィラーの充填量、およびマトリックスとして使用する樹脂の種類を変えることで調整した。
[評価]
(C値またはD値の算出)
 アルミニウム基板の厚みが1600μm未満で、絶縁層の厚みと100℃における弾性率、回路層の厚みと100℃における弾性率がそれぞれ下記の表3に示す値である本発明例44~66の金属ベース基板について、前述の式(III)を用いてC値を算出した。その結果を、表3に示す。また、アルミニウム基板の厚みが1600μm以上で、絶縁層の厚みと100℃における弾性率、回路層の厚みと100℃における弾性率がそれぞれ下記の表4に示す値である本発明例67~76及び比較例1~9の金属ベース基板について、前述の式(IV)を用いてD値を算出した。その結果を、表4に示す。
(ミーゼス応力のシミュレーション値)
 本発明例44~76及び比較例1~9で使用したアルミニウム基板、絶縁層、銅箔を用いた金属ベース基板に、はんだを介して電子部品を実装したときのはんだに付与されるミーゼス応力のシミュレーション値を、上記と同様にして算出した。その結果を表3と表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
 C値とD値を合わせたデータと、ミーゼス応力シミュレーション値との相関関係を最小二乗法により評価した。その結果、C値とD値を合わせたデータとミーゼス応力シミュレーション値の相関係数は0.93であった。以上の結果から、アルミニウム基板を用いた金属ベース基板に、はんだを介して電子部品を実装したときのはんだに付与されるミーゼス応力は、前述の式(III)または式(IV)を用いることによって高い精度で予測できることが確認された。
(冷熱サイクルに対する信頼性)
 本発明例1、10、15、16、22、27、46及び比較例1、5で作製した金属ベース基板について、冷熱サイクルに対する信頼性を下記の方法により測定した。その結果を、下記の表5に示す。
 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。
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
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017
 A値~D値のいずれかが、0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にある本発明例1、10、15、16、22、27、46のいずれも冷熱サイクルに対する信頼性が高いことが確認された。これは、金属ベース基板の絶縁層の100℃における弾性率(単位:GPa)、回路層の100℃における弾性率(単位:GPa)、絶縁層の厚み(単位:μm)、回路層の厚み(単位:μm)、金属基板の厚み(単位:μm)が所定の式を満たすように設定されていることによって、冷熱サイクルによって付与される金属ベース基板からはんだへの応力が低減するためである。
 一方、D値が3.10×10を超える比較例1、5は、冷熱サイクルに対する信頼性が低下した。これは、冷熱サイクルによって付与される金属ベース基板からはんだへの応力が大きくなるためである。
 1S 接合構造体
 10、10S 金属ベース基板
 20、20S 金属基板
 30、30S 絶縁層
 31 絶縁樹脂
 32 無機物フィラー
 40 回路層
 40S 銅箔
 50、50S はんだ
 60、60S 電子部品
 61、61S 電極端子
 62S AIN(窒化アルミニウム)部材

Claims (2)

  1.  金属基板と、絶縁層と、回路層とがこの順で積層された金属ベース基板であって、
     前記絶縁層は、絶縁樹脂と無機物フィラーとを含み、
     前記金属基板が、厚みが1600μm未満の銅基板である場合は、下記の式(I)で定義されるAが0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあって、
     前記金属基板が、厚みが1600μm以上の銅基板である場合は、下記の式(II)で定義されるBが0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあり、
     前記金属基板が、厚みが1600μm未満のアルミニウム基板である場合は、下記の式(III)で定義されるCが0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあって、
     前記金属基板が、厚みが1600μm以上のアルミニウム基板である場合は、下記の式(IV)で定義されるDが0.50×10以上3.10×10以下の範囲内にあることを特徴とする金属ベース基板。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     ただし、式(I)~式(IV)において、kは絶縁層の100℃における弾性率(単位:GPa)、kは回路層の100℃における弾性率(単位:GPa)、tは絶縁層の厚み(単位:μm)、tは回路層の厚み(単位:μm)、tは、金属基板の厚み(単位:μm)を表す。
  2.  前記絶縁層は、100℃における弾性率(単位:GPa)に対する厚み(単位:μm)の比が10以上である請求項1に記載の金属ベース基板。
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