JP7147313B2 - 金属ベース基板 - Google Patents

Description

本発明は、金属ベース基板に関するものである。

半導体素子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。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。

金属ベース基板の絶縁層は、一般に絶縁性に優れる樹脂と、熱伝導率に優れるセラミック粒子（熱伝導性フィラー）とを含む絶縁性樹脂組成物から形成されている。絶縁層用の樹脂としては、ポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂、シリコーン樹脂が用いられている。例えば、特許文献１には、絶縁層として、熱伝導性フィラーを４０～８０ｖｏｌ％の範囲内で含有するポリイミド樹脂層を用いた金属張積層体が開示されている。また、特許文献２には、絶縁層を形成する樹脂がポリジメチルシロキサン骨格からなるシリコーン樹脂であり、絶縁層中の無機充填材が４５～６０体積％であり、無機充填材の２５質量％以上が結晶性シリカである回路基板が開示されている。

特許第５６６５４４９号公報 特開２０１７－１５２６１０号公報

ところで、特許文献１に記載されているような金属張積層体は一般に熱膨張率が大きく、通常セラミックからなる電子部品は熱膨張率が低い。金属張積層体と電子部品との熱膨張率の差が大きくなると、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しやすくなるという問題があった。

一方、特許文献２に記載されているシリコーン樹脂は、ポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂と比較すると弾性が低い。しかしながら、金属ベース基板の絶縁層には、熱伝導性フィラーが含まれているため、絶縁層の弾性はシリコーン樹脂単体と比較して低下する。このため、絶縁層用の樹脂としてシリコーン樹脂を用いることだけでは、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を十分に低減させることは難しい。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、はんだを介して電子部品を実装した状態で、冷熱サイクルを付与しても、はんだクラックの発生が起こりにくい金属ベース回路基板を提供することにある。

上記の課題を解決するために、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、樹脂を含み、前記回路層は、膜厚が１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内にあって、単位がμｍで表される平均結晶粒径と単位が質量％で表される純度とが下記の式（１）を満足することを特徴としている。
平均結晶粒径／（１００－純度）＞５・・・（１）

本発明の金属ベース基板によれば、回路層は、膜厚が１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内にあって、平均結晶粒径と純度が上記の式（１）を満足するので、変形しやすい。このため、冷熱サイクルが付与された場合には、回路層が変形することによって、はんだに付与される応力を緩和することができるので、はんだクラックの発生を抑制することができる。

ここで、本発明の金属ベース基板において、前記回路層は、前記平均結晶粒径と前記純度とが下記の式（２）を満足することが好ましい。
平均結晶粒径／（１００－純度）＞２０・・・（２）
この場合、回路層が、上記の式（２）を満足し、より変形しやすくなるので、はんだに付与される応力をより確実に緩和することができる。

また、本発明の金属ベース基板において、前記回路層は、前記平均結晶粒径が０．３μｍ以上であることが好ましい。
この場合、回路層は、平均結晶粒径が０．３μｍ以上と大きいので、回路層を構成する金属結晶粒同士がすべりやすくなる。よって、回路層が、より変形しやすくなるので、はんだに付与される応力をより確実に緩和することができる。

また、本発明の金属ベース基板において、前記回路層は、前記純度が９９．９９質量％以上であることが好ましい。
この場合、回路層は純度が９９．９９質量％以上と高く、不純物の含有量が少なくなるので、金属結晶粒同士がすべりやすくなる。よって、回路層が、より変形しやすくなるので、はんだに付与される応力をより確実に緩和することができる。

また、本発明の金属ベース基板において、前記回路層は、アルミニウムからなることが好ましい。
この場合、アルミニウムは熱処理によって平均結晶粒径が増大しやすいため、回路層によるはんだクラックの発生を抑制する効果を熱処理により比較的容易に高くすることができる。

本発明によれば、はんだを介して電子部品を実装した状態で、冷熱サイクルを付与しても、はんだクラックの発生が起こりにくい金属ベース基板を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる金属ベース基板を用いたモジュールの概略断面図である。

以下に、本発明の実施形態である金属ベース基板について、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かかる金属ベース基板を用いたモジュールの概略断面図である。

図１において、モジュール１は、金属ベース基板２と、金属ベース基板２の上に実装された電子部品３とを含む。金属ベース基板２は、金属基板１０と、絶縁層２０と、密着層３０と、回路層４０とがこの順で積層された積層体である。回路層４０は、回路パターン状に形成されている。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３がはんだ４を介して接合されている。

金属基板１０は、金属ベース基板２のベースとなる部材である。金属基板１０としては、銅板、アルミニウム板及びこれらの積層板を用いることができる。

絶縁層２０は、金属基板１０と回路層４０とを絶縁するための層である。絶縁層２０は、絶縁性樹脂２１とセラミック粒子２２（熱伝導性フィラー）とを含む絶縁性樹脂組成物から形成されている。絶縁層２０を、絶縁性が高い絶縁性樹脂２１と、熱伝導度が高いセラミック粒子２２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１０までの金属ベース基板２全体の熱抵抗をより低減させることができる。

絶縁性樹脂２１は、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂、もしくはこれらの混合物であることが好ましい。ポリイミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂は、イミド結合を持つので、優れた耐熱性と機械特性を有する。

セラミック粒子２２としては、シリカ（二酸化ケイ素）粒子、アルミナ（酸化アルミニウム）粒子、窒化ホウ素（ＢＮ）粒子、酸化チタン粒子、アルミナドープシリカ粒子、アルミナ水和物粒子、窒化アルミニウム粒子などを用いることができる。セラミック粒子２２は、一種を単独で使用してもよいし、二種以上を組合せて使用してもよい。これらのセラミック粒子の中では、アルミナ粒子は熱伝導性が高い点で好ましい。セラミック粒子２２の形態は、特に制限はないが、微細なセラミック粒子の凝集粒子、あるいは単結晶のセラミック粒子であることが好ましい。

微細なセラミック粒子の凝集粒子は、一次粒子が比較的弱く連結しているアグロメレートであってもよいし、一次粒子が比較的強く連結しているアグリゲートであってもよい。また、凝集粒子同士がさらに集合した粒子集合体を形成していてもよい。セラミック粒子２２の一次粒子が凝集粒子を形成して絶縁層２０中に分散していることによって、セラミック粒子２２間の相互接触によるネットワークが形成されて、セラミック粒子２２の一次粒子間を熱が伝導しやすくなり、絶縁層２０の熱伝導度が向上する。

微細なセラミック粒子の凝集粒子の市販品としては、ＡＥ５０、ＡＥ１３０、ＡＥ２００、ＡＥ３００、ＡＥ３８０、ＡＥ９０Ｅ（いずれも、日本アエロジル株式会社製）、Ｔ４００（ワッカー社製）、ＳＦＰ－２０Ｍ（デンカ株式会社製）などのシリカ粒子、Ａｌｕ６５（日本アエロジル株式会社製）、ＡＡ－０４（住友化学株式会社製）などのアルミナ粒子、ＡＰ－１７０Ｓ（Ｍａｒｕｋａ社製）などの窒化ホウ素粒子、ＡＥＲＯＸＩＤＥ（Ｒ）ＴｉＯ２ Ｐ９０（日本アエロジル株式会社製）などの酸化チタン粒子、ＭＯＸ１７０（日本アエロジル株式会社製）などのアルミナドープシリカ粒子、Ｓａｓｏｌ社製のアルミナ水和物粒子などを用いることができる。

単結晶のセラミック粒子は、αアルミナ（αＡｌ_２Ｏ_３）の結晶構造を有するαアルミナ単結晶粒子であることが好ましい。αアルミナ単結晶粒子の市販品としては、住友化学株式会社から販売されているアドバンストアルミナ（ＡＡ）シリーズのＡＡ－０３、ＡＡ－０４、ＡＡ－０５、ＡＡ－０７、ＡＡ－１．５などを用いることができる。

絶縁層２０のセラミック粒子２２の含有量は、５体積％以上６０体積％以下の範囲内にあることが好ましい。セラミック粒子２２の含有量が少なくなりすぎると、絶縁層２０の熱伝導性が十分に向上しないおそれがある。一方、セラミック粒子２２の含有量が多くなりすぎると、絶縁性樹脂２１の含有量が相対的に減少して、絶縁層２０の形状を安定に維持できなくなるおそれがある。また、セラミック粒子２２が過剰に大きな凝集粒子を形成しやすくなり、絶縁層２０の密着層３０側の表面粗さＲａが大きくなるおそれがある。絶縁層２０の熱伝導性を確実に向上させるためには、セラミック粒子２２の含有量は１０体積％以上であることが好ましい。また、絶縁層２０の形状の安定性を確実に向上させ、表面粗さＲａを低くするためには、セラミック粒子２２の含有量は５０体積％以下であることが特に好ましい。
絶縁層２０の膜厚は、特には制限されるものではないが、１μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、３μｍ以上１００μｍ以下の範囲内にあることが特に好ましい。

密着層３０は、絶縁層２０と回路層４０との密着性を向上させるための層である。密着層３０は、ヤング率が低く、絶縁層２０と回路層４０との密着性が高いことが好ましい。密着層３０の２５℃におけるヤング率は、５ＧＰａ以下であることが好ましく、０．０１ＧＰａ以上３ＧＰａ以下の範囲内にあることが特に好ましい。

密着層３０は、樹脂からなることが好ましい。樹脂としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂を用いることができる。シリコーン樹脂は、各種有機基を導入した変性シリコーン樹脂を含む。変性シリコーン樹脂の例としては、ポリイミド変性シリコーン樹脂、ポリエステル変性シリコーン樹脂、ウレタン変性シリコーン樹脂、アクリル変性シリコーン樹脂、オレフィン変性シリコーン樹脂、エーテル変性シリコーン樹脂、アルコール変性シリコーン樹脂、フッ素変性シリコーン樹脂、アミノ変性シリコーン樹脂、メルカプト変性シリコーン樹脂、カルボキシ変性シリコーン樹脂を挙げることができる。エポキシ樹脂の例としては、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、ノボラック型エポキシ樹脂、脂肪族型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂などを挙げることができる。これらの樹脂は、一種を単独で使用してもよいし、二種以上を組合せて使用してもよい。

密着層３０は、熱伝導性を向上させるために、熱伝導性フィラーを分散させてもよい。熱伝導性フィラーとしては、セラミック粒子を用いることができる。セラミック粒子の例としては、シリカ（二酸化ケイ素）粒子、アルミナ（酸化アルミニウム）粒子、窒化ホウ素粒子、酸化チタン粒子、アルミナドープシリカ粒子、アルミナ水和物粒子、窒化アルミニウム粒子などが挙げられる。密着層３０中の熱伝導性フィラーの含有量は、５体積％以上６０体積％以下の範囲内にあることが好ましく、１０体積％以上５０体積％以下の範囲内にあることが特に好ましい。

密着層３０の膜厚は、特には制限されるものではないが、０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内にあることが特に好ましい。

回路層４０は、単位がμｍで表される平均結晶粒径と単位が質量％で表される純度とが下記の式（１）を満足するようにされている。
平均結晶粒径／（１００－純度）＞５・・・（１）

平均結晶粒径と純度とは下記の式（２）を満足することが好ましく、下記の式（３）を満足することが特に好ましい。
平均結晶粒径／（１００－純度）＞２０・・・（２）
平均結晶粒径／（１００－純度）＞２００・・・（３）

回路層４０を構成する金属は、平均結晶粒径が大きくなるにしたがって、転位のすべりを抑制する結晶粒界が減少するため、金属結晶粒同士がすべりやすくなる傾向がある。このため、回路層４０は、平均結晶粒径が大きくなるにしたがって、変形しやすくなる。回路層４０をより確実に変形しやすくするためには、回路層４０の平均結晶粒径は、０．３μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内にあることが特に好ましい。結晶粒径が０．３μｍ以下であると、加工硬化を起こしやすく、半田にクラックが入りやすくなる。結晶粒径が１０００μｍを超えると、そのような試料の作製が難しく、またハンドリングもしにくい。なお、回路層４０の平均結晶粒径は、ＥＢＳＤ法（電子線後方散乱回折分析法）により測定した値である。

また、回路層４０を構成する金属は、純度が高く、不純物が少なくなるにしたがって、欠陥が減るために金属結晶粒同士がすべりやすくなる傾向がある。このため、回路層４０は、純度が高くなるにしたがって、変形しやすくなる。回路層４０をより確実に変形しやすくするためには、回路層４０の純度は、９９質量％以上であることが好ましく、９９．９９質量％以上であることがより好ましく、９９．９９９質量％以上であることが特に好ましい。なお、回路層４０の純度は、差数法により測定した値である。差数法とは、試料中の不純物元素の含有率を測定し、１００質量％から不純物元素の含有率を差し引いた値を試料の純度とする方法である。本実施形態では、不純物元素の含有率は、ＩＣＰ－ＭＳ法により測定し、測定対象の不純物元素は、試料中に０．０１質量ｐｐｍ以上含まれる元素とする。

回路層４０の材料としては、アルミニウム、銅、銀、金、錫、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン、パラジウム、チタン、亜鉛及びこれら金属の合金を用いることができる。これらの金属の中では、アルミニウム、銅が好ましく、特にアルミニウムが好ましい。回路層４０の膜厚は、１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内、好ましくは２０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内にある。回路層４０の膜厚が薄くなりすぎると、熱抵抗が高くなるおそれがある。一方、回路層４０の膜厚が厚くなりすぎると、エッチングにより回路パターンを形成するのが困難となるおそれがある。また、回路層４０の膜厚が厚くなりすぎると、モジュール１を構成する各材料の熱膨張係数の際によって、回路層４０に付与される熱応力が大きくなり、冷熱サイクル中に、絶縁層２０と回路層４０とが剥離しやすくなるおそれがある。

回路層４０に実装される電子部品３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。

次に、本実施形態の金属ベース基板２の製造方法について説明する。
本実施形態の金属ベース基板２は、例えば、金属基板１０の上に、絶縁層２０と密着層３０とをこの順で積層し、次いで密着層３０の上に回路層４０を貼り付ける方法によって製造することができる。

金属基板１０の上に、絶縁性樹脂２１とセラミック粒子２２とを含む組成物からなる絶縁層２０を形成する方法としては、塗布法あるいは電着法を用いることができる。

塗布法は、絶縁性樹脂２１とセラミック粒子２２と溶剤とを含む絶縁層形成用塗布液を、金属基板１０の表面に塗布して塗布層を形成し、次いで塗布層を加熱し、乾燥させて絶縁層２０を金属基板１０の上に形成する方法である。絶縁層形成用塗布液を、金属基板１０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、電荷を有する絶縁性樹脂粒子とセラミック粒子が分散されている電着液に、金属基板１０と電極とを浸漬し、金属基板１０と電極との間に直流電圧を印加することによって、金属基板１０の表面に絶縁性樹脂粒子とセラミック粒子を電着させて電着層を形成し、次いで電着層を加熱し、乾燥させて絶縁層２０を金属基板１０の上に形成する方法である。電着液は、例えば、セラミック粒子を含む絶縁性樹脂溶液に、絶縁性樹脂の貧溶媒を加えて、絶縁性樹脂を析出させることによって調製することができる。絶縁性樹脂の貧溶媒としては、例えば、水を用いることができる。

絶縁層２０の上に密着層３０を形成する方法としては、塗布法を用いることができる。
密着層３０は、密着層形成用の樹脂と溶剤と必要に応じて添加される熱伝導性フィラーとを含む密着層形成用塗布液を、絶縁層２０の表面に塗布して塗布層を形成し、次いで塗布層を加熱し、乾燥させることによって形成することができる。密着層形成用塗布液を絶縁層２０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。

回路層４０は、密着層３０の上に回路層４０を重ね合わせ、次いで、回路層４０を加圧しながら加熱することによって貼り合わせることができる。加熱は、回路層４０が酸化しないように、非酸化性雰囲気中（例えば、窒素雰囲気中、真空中）で行なうことが好ましい。

回路層４０は、密着層３０に貼り合わせる前に、平均結晶粒径と純度とが上記の式（１）を満足するように調整することが好ましい。回路層４０の平均結晶粒径は、例えば、熱処理によって調整することができる。アルミニウムは、熱処理によって平均結晶粒径が増大し、変形しやすくなる。熱処理は、２００℃以上５００℃以下の温度で行うことが好ましい。熱処理の時間は、加熱温度によって異なるが、通常は、５分間以上５００分間以下の範囲内である。

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２によれば、回路層４０は、膜厚が１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内にあって、平均結晶粒径と純度が上記の式（１）を満足するので、変形しやすい。このため、冷熱サイクルが付与された場合には、回路層４０が変形することによって、はんだに付与される応力を緩和することができるので、はんだクラックの発生を抑制することができる。

また、本実施形態の金属ベース基板２においては、平均結晶粒径と純度が上記の式（２）特に好ましくは式（３）を満足する場合は、回路層がより変形しやすくなるので、はんだに付与される応力をより確実に緩和することができる。

また、本実施形態の金属ベース基板２においては、回路層４０の平均結晶粒径が０．３μｍ以上である場合は、回路層４０を構成する金属結晶粒同士がすべりやすくなる。よって、回路層４０が、より確実に変形しやすくなるので、はんだに付与される応力をより確実に緩和することができる。

また、本実施形態の金属ベース基板２においては、回路層の純度が９９．９９質量％以上である場合、純度が高く、不純物の含有量が少なくなるので、金属結晶粒同士がすべりやすくなる。よって、回路層４０が、より確実に変形しやすくなるので、はんだに付与される応力をより確実に緩和することができる。

また、本実施形態の金属ベース基板２においては、回路層４０がアルミニウムからなる場合、回路層４０によるはんだクラックの発生を抑制する効果を熱処理により比較的容易に高くすることができる。

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。
例えば、本実施形態では、絶縁層２０と回路層４０との間に密着層３０を設けた構成を説明したがこれに限定されることはない。絶縁層２０単独で回路層４０との密着性を十分に確保できる場合は、密着層３０を設けなくてもよい。また、絶縁層２０と密着層３０の順番を逆にしてもよい。この場合、回路層４０、絶縁層２０、密着層３０を、この順に積層した積層体を作製し、この積層体の密着層３０と金属基板１０とを熱圧着により圧着させることによって金属ベース基板を製造することができる。

以下に、本発明の作用効果を実施例により説明する。

［本発明例１］
容量３００ｍＬのセパラブルフラスコに、４，４’－ジアミノジフェニルエーテル、およびＮＭＰ（Ｎ－メチル－２－ピロリドン）を仕込んだ。ＮＭＰ量は、得られるポリアミック酸の濃度が４０質量％になるように調整した。常温で撹拌して、４，４’－ジアミノジフェニルエーテルを完全に溶解させた後、内温が３０℃を超えないよう、所定量のテトラカルボン酸２無水物を少量ずつ添加した。その後、窒素雰囲気下で１６時間の撹拌を続け、ポリアミック酸（ポリイミド前駆体）溶液を調製した。

セラミック粒子（熱伝導性フィラー）として、アルミナ粒子（平均粒子径：０．５μｍ）を用意した。用意したアルミナ粒子１．０ｇとＮＭＰ１０ｇとを混合し、３０分間超音波処理して、アルミナ粒子分散液を調製した。

上記のようにして調製したポリアミック酸溶液とアルミナ粒子分散液とを、加熱によって生成する固形物（絶縁層）中のアルミナ粒子の含有量が３０体積％となるように混合し、次いで、ＮＭＰで、混合物中のポリアミック酸の濃度が５質量％となるように希釈した。続いて得られた混合物を、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、アルミナ粒子分散ポリアミック酸溶液（絶縁層形成用塗布液）を調製した。

厚み０．３ｍｍで３０ｍｍ×２０ｍｍの銅基板の表面に、絶縁層形成用塗布液を、加熱によって生成する絶縁層の膜厚が１０μｍとなるようにバーコート法により塗布して絶縁層形成用塗布層を形成した。次いで、絶縁層形成用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、さらに１℃／分で１２０℃まで昇温し、１２０℃で１００分間加熱して、絶縁層形成用塗布層を乾燥させた。その後、銅基板を２５０℃で１分間、４００℃で１分間加熱して、絶縁層付き銅基板を作製した。

ポリアミドイミド（弾性率：２ＧＰａ）とＮＭＰとを、質量比で１：６となる割合で混合し、ポリアミドイミドを溶解させてポリアミドイミド溶液（密着層形成用塗布液）を調製した。
上記の絶縁層付き銅基板の絶縁層の上に、密着層形成用塗布液を、加熱によって生成する密着層の膜厚が１μｍとなるようにスピンコート法により塗布して、密着層形成用塗布層を形成した。次いで、密着層形成用塗布層を形成した絶縁層付き銅基板を加熱し、密着層形成用塗布層を乾燥させて、絶縁層の上に密着層を形成して、銅基板と絶縁層と密着層がこの順で積層された積層体を得た。

アルミニウム箔（膜厚：４０μｍ、サイズ：３０ｍｍ×２０ｍｍ）を用意した。このアルミニウム箔は、純度が９９．９９９４３１質量％、平均結晶粒径が０．２μｍで、平均結晶粒径／（１００－純度）が３５１であった。なお、アルミニウム箔の純度及び平均結晶粒径は、下記の方法により測定した。

（純度の測定方法）
アルミニウム箔を酸で溶解し、得られたアルミニウムを溶液中の不純物元素含有量をＩＣＰ－ＭＳ法により測定した。得られた不純物元素含有量から、アルミニウム箔中の不純物元素の合計含有率を求め、１００質量％から不純物元素の合計含有率を差し引いた値をアルミニウム箔の純度とした。不純物元素は、Ｎａ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｐ，Ｋ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｂａ，Ｈｆ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｂ，Ｂｉとした。

（平均結晶粒径の測定方法）
ＥＢＳＤ測定装置（ＦＥＩ社製Ｑｕａｎｔａ ＦＥＧ ４５０，ＥＤＡＸ／ＴＳＬ社製ＯＩＭ Ｄａｔａ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）と、解析ソフト（ＥＤＡＸ／ＴＳＬ社製ＯＩＭ Ｄａｔａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｖｅｒ．５．３）とを用いて、電子線の加速電圧：１５ｋＶ、測定ステップ：０．５μｍ、測定範囲：８４μｍ×５６μｍ、解析範囲：８４μｍ×５６μｍｍの条件でＥＢＳＤ法により測定した。

用意したアルミニウム箔の一方の表面を、表面処理液（メック株式会社製、アマルファＡ－１０２０１Ｍ）に２分間浸漬させた。次いで、表面処理液から取出したアルミニウム箔を水洗し、濃度５質量％の硫酸水溶液に２０秒間浸漬して中和した後、再度水洗して乾燥して、表面処理済みアルミニウム箔を得た。上記の積層体の密着層の上に、表面処理済みアルミニウム箔を、表面処理した面が密着層に接するように重ね合わせ、次いで、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２１５℃の温度で２０分間加熱して、密着層とアルミニウム箔とを貼り合わせた。こうして銅基板と絶縁層と密着層とアルミニウム箔からなる回路層がこの順で積層された金属ベース基板を作製した。

［本発明例２～２３、比較例１～３］
アルミニウム箔として、膜厚と純度と平均結晶粒径と平均結晶粒径／（１００－純度）が下記の表１に示す値であるものを用いたこと以外は、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、本発明例２～５、７～２３及び比較例３では、アルミニウム箔を３００℃の温度にて下記の表１に示す熱処理時間で熱処理することによって、平均結晶粒径と平均結晶粒径／（１００－純度）を調整した。

［評価］
金属ベース基板の回路層上に、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕはんだ（千住金属工業株式会社製：Ｍ７０５）を塗布して、厚み１００μｍで２．５ｍｍ×２．５ｍｍのはんだ層を形成し、そのはんだ層の上に、２．５ｍｍ×２．５ｍｍ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。試験体のはんだ層の断面を観察し、はんだ層に生じたクラックの長さ（μｍ）を測定した。その結果を下記の表１に示す。

回路層（アルミニウム箔）の平均結晶粒径と純度とが、前記の式（１）を満足する本発明例１～２３の金属ベース基板は、前記の式（１）を満足しない比較例１～２の金属ベース基板と比較して、冷熱サイクル付与後のはんだ層のクラック長さが短くなった。これは、本発明例１～２３の金属ベース基板では、冷熱サイクル付与時に回路層が変形することによって、はんだ層に付与される応力が緩和されたためであると考えられる。特に、回路層の平均結晶粒径と純度とが、前記の式（２）を満足し、平均結晶粒径が０．３μｍ以上で、純度が９９．９９質量％以上とされた本発明例２～５、７～１２、２１～２３の金属ベース基板は、冷熱サイクル付与後のはんだ層のクラック長さが０．２μｍ以下と顕著に短くなった。また、回路層（アルミニウム箔）の膜厚が、本発明の範囲を超える比較例３の金属ベース基板は、冷熱サイクル中に絶縁層と回路層とが剥離した。

［本発明例２４～２６、比較例４］
アルミニウム箔の代わりに、膜厚と純度と平均結晶粒径と平均結晶粒径／（１００－純度）が下記の表２に示す値である銅箔を用いたこと以外は、本発明例１と同様にして金属ベース基板を作製し、冷熱サイクル付与後のはんだ層のクラック長さを測定した。銅箔の平均結晶粒径と平均結晶粒径／（１００－純度）は、３００℃の温度にて下記の表２に示す熱処理時間で熱処理することによって調整した。なお、銅箔の純度は、不純物元素を、Ｎａ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｐ，Ｋ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｂａ，Ｈｆ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｂ，Ｂｉとしたこと以外は、アルミニウム箔の純度と同様にして測定した。銅箔の平均結晶粒径は、アルミニウム箔の平均結晶粒径と同様にして測定した。

回路層に銅箔を用いた場合についても同様に、回路層の平均結晶粒径と純度とが、前記の式（１）を満足する本発明例２４～２６の金属ベース基板は、前記の式（１）を満足しない比較例４の金属ベース基板と比較して、冷熱サイクル付与後のはんだ層のクラック長さが短くなった。特に、回路層の平均結晶粒径と純度とが、前記の式（２）を満足し、平均結晶粒径が０．３μｍ以上で、純度が９９．９９質量％以上とされた本発明例２５～２６の金属ベース基板は、冷熱サイクル付与後のはんだ層のクラック長さが０．２μｍ以下と顕著に短くなった。

以上の結果から、本発明例によれば、はんだを介して電子部品を実装した状態で、冷熱サイクルを付与しても、はんだクラックの発生が起こりにくい金属ベース基板を提供することが可能となることが確認された。

１ モジュール
２ 金属ベース基板
３ 電子部品
４ はんだ
１０ 金属基板
２０ 絶縁層
２１ 絶縁性樹脂
２２ セラミック粒子
３０ 密着層
４０ 回路層

Claims (5)

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、樹脂を含み、
   前記回路層は、膜厚が１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内にあって、単位がμｍで表される平均結晶粒径と単位が質量％で表される純度とが下記の式（１）を満足することを特徴とする金属ベース基板。
   平均結晶粒径／（１００－純度）＞５・・・（１）
2. 前記回路層は、前記平均結晶粒径と前記純度とが下記の式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の金属ベース基板。
   平均結晶粒径／（１００－純度）＞２０・・・（２）
3. 前記回路層は、前記平均結晶粒径が０．３μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属ベース基板。
4. 前記回路層は、前記純度が９９．９９質量％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の金属ベース基板。
5. 前記回路層は、アルミニウムからなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の金属ベース基板。

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