JP7524581B2

JP7524581B2 - 銅ベース基板

Info

Publication number: JP7524581B2
Application number: JP2020065163A
Authority: JP
Inventors: 史朗石川; 慎太郎原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2024-07-30
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: EP4131363B1; KR20220160563A; TW202207381A; US20230105989A1; EP4131363A4; CN115413365A; EP4131363A1; JP2021163880A; WO2021200792A1; US12610463B2

Description

本発明は、銅ベース基板に関する。

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の回路層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、本発明の金属ベース基板は、銅基板と、絶縁層と、回路層とがこの順で積層された銅ベース基板であって、前記絶縁層は、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である樹脂を含み、１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）に対する厚み（単位：μｍ）の比が５０以上であり、１００℃での弾性率が２ＧＰａ以下であって、前記回路層は、１００℃における弾性率が５０～１００ＧＰａ、厚さが２０～２００μｍであることを特徴としている。

本発明の銅ベース基板によれば、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５０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との熱膨張率の差を絶縁層で緩和することができる。また、回路層は、１００℃における弾性率が１００ＧＰａ以下と低いので、冷熱サイクルによる回路層と電子部品との熱膨張率の差を小さくできる。よって、冷熱サイクルによって、電子部品と銅ベース基板の回路層とを接合しているはんだに付与される応力を小さくできる。したがって、本発明の銅ベース基板は、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向上する。

ここで、本発明の銅ベース基板においては、前記絶縁層が、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である樹脂を含むものであるので、銅ベース基板の絶縁性、耐電圧性、化学的耐性及び機械特性が向上する。

また、本発明の銅ベース基板においては、前記絶縁層が、無機物フィラーを含み、前記無機物フィラーの平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあるものであってもよい。
この場合、絶縁層が上記の無機物フィラーを含むので、銅ベース基板の熱伝導性と耐電圧性とが向上する。

また、本発明の銅ベース基板においては、前記回路層が、銅箔、銅合金箔、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔からなるものであってもよい。
この場合、回路層が、銅箔、銅合金箔、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔からなるため、電気伝導度が高いことで、回路層を薄くできる。

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銅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係る銅ベース基板の概略断面図である。

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銅ベース基板の概略断面図である。
図１において、銅ベース基板１０は、銅基板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。銅ベース基板１０の回路層４０の上には、はんだ５０を介して、電子部品６０の端子６１が実装されている。

銅基板２０は、銅ベース基板１０のベースとなる部材である。銅基板２０は、銅もしくは銅合金からなる。

絶縁層３０は、銅基板２０と回路層４０とを絶縁するための層である。絶縁層３０は、絶縁性樹脂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、絶縁性が高い絶縁性樹脂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から銅基板２０までの銅ベース基板１０全体の熱抵抗をより低減させることができる。

絶縁性樹脂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、銅ベース基板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、絶縁性樹脂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性樹脂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、絶縁性樹脂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が均一に絶縁性樹脂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_２Ｏ_３）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_２）粒子、炭化珪素（ＳｉＣ）粒子、酸化チタン（ＴｉＯ_２）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５０以上とされている。絶縁層３０の厚み／弾性率が５０以上と高いので、絶縁層３０は変形しやすく、厚み方向での緩衝性が高くなる。このため、絶縁層３０は、冷熱サイクルによる銅基板２０と回路層４０との熱膨張率の差を緩和させる作用が高くなる。絶縁層３０の厚み／弾性率は、５０以上２００００以下の範囲内にあることが好ましく、５０以上２０００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さらに好ましい。絶縁層３０の１００℃における弾性率は、０．０１ＧＰａ以上１ＧＰａ以下の範囲内にあることが好ましく、０．０１ＧＰａ以上０．１ＧＰａ以下の範囲内にあることがより好ましい。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く、５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。

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、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、金などの金属を用いることができる。回路層４０は銅箔、銅合金箔、アルミニウム箔、またはアルミニウム合金箔からなることが好ましい。

回路層４０は、１００℃における弾性率が１００ＧＰａ以下とされているため、冷熱サイクルによる回路層４０と電子部品６０との熱膨張率の差によるはんだにかかる応力が小さくなる。回路層４０の１００℃における弾性率は、５０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下の範囲内にあることが好ましい。回路層４０の厚みは、２０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

銅ベース基板１０の銅基板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。銅ベース基板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、露出した銅ベース基板の断面を、光学顕微鏡を用いて観察して、銅基板２０、絶縁層３０および回路層４０の厚みを測定する。

銅ベース基板１０の銅基板２０、絶縁層３０および回路層４０の弾性率は、１００℃で測定した値である。
銅ベース基板１０の銅基板２０および回路層４０の弾性率（引張弾性率）は、例えば、次のようにして測定することができる。銅ベース基板１０の絶縁層３０を溶剤によって除去し、銅基板２０と回路層４０とを分離する。得られた銅基板２０と回路層４０について、動的粘弾性測定によって弾性率を測定する。銅ベース基板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。銅ベース基板１０の銅基板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、動的粘弾性測定によって弾性率を測定する。

本実施形態の銅ベース基板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、本実施形態に係る銅ベース基板１０の製造方法について説明する。
本実施形態に係る銅ベース基板１０は、例えば、絶縁層形成工程と、回路層圧着工程を含む方法によって製造することができる。

絶縁層形成工程では、銅基板２０の上に絶縁層３０を形成して、絶縁層付き銅基板を得る。絶縁層３０の厚み（単位：μｍ）は、弾性率測定用の絶縁層３０を銅基板２０に形成し、得られた絶縁層３０の弾性率を測定して、厚み／弾性率が５０以上となる厚さを設定する。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、溶媒と絶縁性樹脂と無機物フィラーとを含む塗布液を、銅基板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、絶縁性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、絶縁性樹脂粒子と無機物フィラーとを含む電着液に銅基板２０を浸漬して、基板の表面に絶縁性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、絶縁性樹脂溶液と、その絶縁性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性樹脂溶液に、絶縁性樹脂材料の貧溶媒を加えて絶縁性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、絶縁層付き銅基板の絶縁層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、銅ベース基板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、絶縁性樹脂の熱分解温度未満であり、好ましくは熱分解温度よりも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１０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銅ベース基板１０によれば、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）の比が５０以上と大きいので、絶縁層３０が変形しやすくなり、冷熱サイクルによる銅基板２０と回路層４０との熱膨張率の差を絶縁層３０で緩和することがきる。また、回路層４０は、１００℃における弾性率が１００ＧＰａ以下と低いので、冷熱サイクルによる回路層４０と電子部品６０との熱膨張率の差を小さくできる。よって、冷熱サイクルによって、電子部品６０と銅ベース基板１０の回路層４０とを接合しているはんだ５０に付与される応力を小さくできる。したがって、本実施形態の銅ベース基板１０は、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が向上する。

また、本実施形態の銅ベース基板１０において、絶縁層３０がポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、またはこれらの混合物を含む場合は、銅ベース基板１０の絶縁性、耐電圧性、化学的耐性及び機械特性が向上する。さらに、絶縁層３０が無機物フィラー３２を含み、無機物フィラー３２の平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にある場合は、銅ベース基板１０の熱伝導性と耐電圧性とが向上する。またさらに、回路層４０が、銅箔、銅合金箔、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔からなる場合は、電気伝導度が高いので、回路層４０の厚さを薄くできる。

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。

［本発明例１］
溶媒可溶性ポリイミド溶液と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６５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、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絶縁層付き銅基板を作製した。なお、絶縁層の膜みを３０μｍ、１００℃における弾性率は０．２７ＧＰａ、厚み／弾性率を１１０とした。

得られた絶縁層付き銅基板の絶縁層の上に、厚み７０μｍの銅箔（１００℃における弾性率：７５ＧＰａ、ＪＸ金属株式会社製ＧＨＹ５－ＨＡ－Ｖ２）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。

［本発明例２～４、比較例１～２］
絶縁層の厚みと弾性率、回路層の弾性率をそれぞれ、下記の表１に記載の値に変えたこと以外は、本発明例１と同様にして銅ベース基板を作製した。

［評価］
本発明例１～４および比較例１～２で得られた銅ベース基板について、冷熱サイクルに対する信頼性を、下記の方法により評価した。その結果を、表１に示す。

（銅ベース基板の冷熱サイクルに対する信頼性）
銅ベース基板の回路層上に、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、長さ５ｍｍ以上のクラックが生じていないものを「〇」、長さ５ｍｍ以上のクラックが生じたものを「×」とした。

絶縁層の弾性率（単位：ＧＰａ）に対する厚み（単位：μｍ）の比（厚み／弾性率）と、回路層の弾性率が本発明の範囲内にある本発明例１～４の銅ベース基板は、冷熱サイクルに対する信頼性に優れることが確認された。これは、絶縁層の厚み／弾性率が本発明の範囲内にあることによって、冷熱サイクルによる銅基板と電子部品との熱膨張率の差が絶縁層によって緩和されるためである。また、回路層の弾性率が本発明の範囲内にあることによって、回路層と電子部品との熱膨張率の差によってはんだに付与される熱応力が小さくなるためである。

これに対して、絶縁層の厚み／弾性率は本発明の範囲内にあるが、回路層の弾性率が本発明の範囲を超える比較例１の銅ベース基板は、冷熱サイクルに対する信頼性が低下した。これは、回路層の弾性率が本発明の範囲を超えたことにより、回路層と電子部品との熱膨張率の差によってはんだに付与される熱応力が大きくなったためである。

また、回路層の弾性率は本発明の範囲内にあるが、絶縁層の厚み／弾性率が本発明の範囲未満である比較例２の銅ベース基板は、冷熱サイクルに対する信頼性が低下した。これは、絶縁層の厚み／弾性率が本発明の範囲未満であることにより、冷熱サイクルによる銅基板と回路層との熱膨張率の差によってはんだに付与される熱応力が十分に緩和されなかったためである。

１０銅ベース基板
２０銅基板
３０絶縁層
３１絶縁性樹脂
３２無機物フィラー
４０回路層
５０はんだ
６０電子部品
６１端子

Claims

銅基板と、絶縁層と、回路層とがこの順で積層された銅ベース基板であって、
前記絶縁層は、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である樹脂を含み、１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）に対する厚み（単位：μｍ）の比が５０以上であり、１００℃での弾性率が２ＧＰａ以下であって、
前記回路層は、１００℃における弾性率が５０～１００ＧＰａ、厚さが２０～２００μｍであることを特徴とする銅ベース基板。
前記絶縁層が、無機物フィラーを含み、前記無機物フィラーの平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の銅ベース基板。
前記回路層が、銅箔、銅合金箔、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔からなることを特徴とする請求項１または２に記載の銅ベース基板。