JP7631809B2

JP7631809B2 - 金属ベース基板

Info

Publication number: JP7631809B2
Application number: JP2021000329A
Authority: JP
Inventors: 史朗石川
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2025-02-19
Anticipated expiration: 2041-01-05
Also published as: TW202243559A; JP2022105790A; WO2022149558A1

Description

本発明は、金属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。また、絶縁層の弾性率を過度に低くすると、絶縁層による回路層の拘束力が低下することによって、冷熱サイクルに対する信頼性が低下することがある。

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、金属基板と、少なくとも１層の絶縁層と、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、前記無機物フィラーは平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあり、下記の式（１）で定義されるＥが、３．１０×１０^８以下であることを特徴としている。

ただし、式（１）において、Ｓは、下記の式（２）より算出される数を表す。

ただし、式（２）において、ｆ_０は、３．１４であり、ｆ_１は、－３．２５であり、Ｒ_０は、下記の式（３－０）より算出される値を表し、Ｒ_１は、下記の式（３－１）より算出される値を表す。

ただし、式（３－０）及び式（３－１）において、ｄ_０は－０．４２３であり、ｄ_１は、－２．０３であり、ｄ_２は、０．８０４であり、ｅ_０は５．２３であり、ｅ_１は、４．３０であり、ｅ_２は、－４．４０であり、Ｑ_０は、下記の式（４－０）より算出される値を表し、Ｑ_１は、下記の式（４－１）より算出される値を表し、Ｑ_２は、下記の式（４－２）より算出される値を表す。

ただし、式（４－０）、式（４－１）及び式（４－２）において、ａ_０は、７．５３であり、ａ_１は、３．０９であり、ａ_２は、０．３０８であり、ａ_３は、－０．１３７であり、ａ_４は、０．０３４２であり、ａ_５は、０．４５１であり、ｂ_０は、０．８３９であり、ｂ_１は、－０．１２７であり、ｂ_２は、０．０３８０であり、ｂ_３は、－２．７８であり、ｂ_４は、－０．８２８であり、ｂ_５は、－０．７６２であり、ｃ_０は、－３．６４であり、ｃ_１は、６．９８であり、ｃ_２は、０．３１９であり、ｃ_３は、－０．４５１であり、ｃ_４は、－０．７７６であり、ｃ_５は、０．１８９である。Ｐ_０は、下記の式（５－０）より算出される値を表し、Ｐ_１は、下記の式（５－１）より算出される値を表し、Ｐ_２は、下記の式（５－２）より算出される値を表し、Ｐ_３は、下記の式（５－３）より算出される値を表し、Ｐ_４は、下記の式（５－４）より算出される値を表し、Ｐ_５は、下記の式（５－５）より算出される値を表す。

ただし、式（５－０）、式（５－１）、式（５－２）、式（５－３）、式（５－４）及び式（５－５）において、Ｋ_{ｒｅｓｉｎ}は、絶縁層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）を表し、Ｋ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}は、回路層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）を表し、Ｋ_ｂａｓｅは、金属基板の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）を表し、Ｔ_{ｒｅｓｉｎ}は、絶縁層の厚み（単位：μｍ）を表し、Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}は回路層の厚み（単位：μｍ）を表し、Ｔ_ｂａｓｅは、金属基板の厚み（単位：μｍ）を表し、ＣＴＥ_ｂａｓｅは、金属基板の１００℃における熱膨張係数（単位：ｐｐｍ）を表す。

本発明の金属ベース基板によれば、前記の式（１）によって算出されるＥの値は、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、Ｅの値が３．１０×１０^８以下であるので、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以上である構成とされていてもよい。
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。

また、本発明の金属ベース基板において、前記絶縁層は、互いに１００℃における弾性率が異なる２層以上の積層体である構成とされていてもよい。
この場合、絶縁層が２層であるので、それぞれ耐電圧が高い絶縁層と柔軟性が高い絶縁層とに分けることによって、熱抵抗を小さく抑えながら、耐電圧と信頼性の両方を向上させることが可能となる。

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。実施例で算出したＥ値とミーゼス応力のシミュレーション値との関係を示すグラフである。

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。絶縁層３０は、１層のみからなる単層体であってもよいし、２層以上を積層させた積層体であってもよい。絶縁層３０は、単層体もしくは２層の積層体であることが好ましい。

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_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２０ＧＰａ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は、下記の式（１）で定義されるＥが、３．１０×１０^８以下とされている。

ただし、式（２）において、ｆ_０は、３．１４であり、ｆ_１は、－３．２５である。Ｒ_０は、下記の式（３－０）より算出される値を表し、Ｒ_１は、下記の式（３－１）より算出される値を表す。

ただし、式（３－０）及び式（３－１）において、ｄ_０は－０．４２３であり、ｄ_１は、－２．０３であり、ｄ_２は、０．８０４であり、ｅ_０は５．２３であり、ｅ_１は、４．３０であり、ｅ_２は、－４．４０である。Ｑ_０は、下記の式（４－０）より算出される値を表し、Ｑ_１は、下記の式（４－１）より算出される値を表し、Ｑ_２は、下記の式（４－２）より算出される値を表す。

ただし、式（４－０）、式（４－１）及び式（４－２）において、ａ_０は、７．５３であり、ａ_１は、３．０９であり、ａ_２は、０．３０８であり、ａ_３は、－０．１３７であり、ａ_４は、０．０３４２であり、ａ_５は、０．４５１であり、ｂ_０は、０．８３９であり、ｂ_１は、－０．１２７であり、ｂ_２は、０．０３８０であり、ｂ_３は、－２．７８であり、ｂ_４は、－０．８２８であり、ｂ_５は、－０．７６２であり、ｃ_０は、－３．６４であり、ｃ_１は、６．９８であり、ｃ_２は、０．３１９であり、ｃ_３は、－０．４５１であり、ｃ_４は、－０．７７６であり、ｃ_５は、０．１８９であり、Ｐ_０は、下記の式（５－０）より算出される値を表し、Ｐ_１は、下記の式（５－１）より算出される値を表し、Ｐ_２は、下記の式（５－２）より算出される値を表し、Ｐ_３は、下記の式（５－３）より算出される値を表し、Ｐ_４は、下記の式（５－４）より算出される値を表し、Ｐ_５は、下記の式（５－５）より算出される値を表す。

ただし、式（５－０）、式（５－１）、式（５－２）、式（５－３）、式（５－４）及び式（５－５）において、Ｋ_{ｒｅｓｉｎ}は、絶縁層３０の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）を表し、Ｋ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}は、回路層４０の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）を表し、Ｋ_ｂａｓｅは、金属基板２０の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）を表し、Ｔ_{ｒｅｓｉｎ}は、絶縁層３０の厚み（単位：μｍ）を表し、Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}は回路層４０の厚み（単位：μｍ）を表し、Ｔ_ｂａｓｅは、金属基板２０の厚み（単位：μｍ）、金属基板２０の１００℃における熱膨張係数（単位：ｐｐｍ）を表す。なお、上記の式は、絶縁層３０の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、回路層４０の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、金属基板２０の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）、絶縁層３０の厚み（単位：μｍ）、回路層４０の厚み（単位：μｍ）、金属基板２０の厚み（単位：μｍ）、金属基板２０の１００℃における熱膨張係数（単位：ｐｐｍ）を入力変数とし、ミーゼス応力値を目的関数とした機械学習により求めることができる。

Ｅ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、Ｅの値が３．１０×１０^８以下とされているので、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３．１０×１０^８Ｐａ以下に抑えられる。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。Ｅの値は、２．３０×１０^８以下であることが好ましい。また、Ｅの値は、０．５０×１０^８以上であってもよい。

金属ベース基板１０のＥの値は、例えば、次のようにして算出することできる。
先ず、絶縁層３０の１００℃における弾性率（Ｋ_{ｒｅｓｉｎ}）、回路層４０の１００℃における弾性率（Ｋ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}）、金属基板２０の１００℃における弾性率（Ｋ_ｂａｓｅ）、金属基板２０の１００℃における熱膨張係数（ＣＴＥ_ｂａｓｅ）、絶縁層３０の厚み（Ｔ_{ｒｅｓｉｎ}）、回路層４０の厚み（Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}）、金属基板２０の厚み（Ｔ_ｂａｓｅ）を測定する。

絶縁層３０の１００℃における弾性率は、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。

回路層４０の１００℃における弾性率は、共振法（装置：日本テクノプラス株式会社製ＴＥ－ＲＴなど）によって測定することができる。金属基板２０の１００℃における弾性率（引張弾性率）は、引張試験（ＪＩＳＺ２２４１：２０１１金属材料引張試験方法）によって測定することができる。金属基板２０の１００℃における熱膨張係数は、熱機械分析装置（ＴＭＡ）によっ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、絶縁層３０及び回路層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及び回路層４０の厚みを測定する。

次に、得られたＫ_{ｒｅｓｉｎ}、Ｋ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}、Ｋ_ｂａｓｅ、ＣＴＥ_ｂａｓｅ、Ｔ_{ｒｅｓｉｎ}、Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}、Ｔ_ｂａｓｅを、上記の式（５－０）～式（５－５）に代入して、Ｐ_０～Ｐ_５を算出する。
絶縁層３０が２層以上の積層体の場合、式（５－０）におけるΣＴ_{ｒｅｓｉｎ}／Ｋ_{ｒｅｓｉｎ}は、各絶縁層３０のＴ_{ｒｅｓｉｎ}／Ｋ_{ｒｅｓｉｎ}の合計である。

次に、得られたＰ_０～Ｐ_５を、上記の式（４－０）～式（４－２）に代入して、Ｑ_０～Ｑ_２を算出する。次に、得られたＱ_０～Ｑ_２を、上記の式（３－０）～式（３－１）に代入して、Ｒ_０～Ｒ_１を算出する。次に、得られたＲ_０～Ｒ_１を、上記の式（２）に代入して、Ｓを算出する。そして、得られたＳを、上記の式（１）に代入して、Ｅを算出する。

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１００℃における弾性率（Ｋ_ｂａｓｅ）と１００℃における熱膨張係数（ＣＴＥ_ｂａｓｅ）と厚み（Ｔ_ｂａｓｅ）、絶縁層３０の１００℃における弾性率（Ｋ_{ｒｅｓｉｎ}）と厚み（Ｔ_{ｒｅｓｉｎ}）、回路層４０の１００℃における弾性率（Ｋ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}）と厚み（Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}）を用いて、Ｅを算出する。得られたＥの値が３．１０×１０^８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。Ｅの値が３．１０×１０^８以下となった場合は、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によれば、前記の式（１）によって算出されるＥ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に付与されるミーゼス応力と高い相関を有し、Ｅの値が３．１０×１０^８以下であるので、冷熱サイクルを付与したときに生じるはんだ５０に付与される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に優れる。

本実施形態の金属ベース基板１０において、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（厚み／弾性率）が１０以上と大きい場合は、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、この金属ベース基板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より向上する。また、本実施形態の金属ベース基板１０において、絶縁層３０が、互いに１００℃における弾性率が異なる２層以上の積層体である構成とされている場合は、絶縁層３０をそれぞれ耐電圧が高い絶縁層と柔軟性が高い絶縁層とに分けることによって、熱抵抗を小さく抑えながら、耐電圧と信頼性の両方を向上させることが可能となる。

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１～８８、比較例１～９］
金属基板の厚みと１００℃における弾性率と１００℃における熱膨張係数１００℃、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１～４に示す値である金属ベース基板を仮定した。仮定した金属ベース基板について、上記の式（１）のＥを算出した。その結果を、表１～４に示す。

仮定し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（ＳｏｎｎｅｎｈｏｆＨｏｌｄｉｎｇｓ）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。下記の熱膨張係数、弾性率及びポアソン比はすべて１００℃における値とした。その結果を表１～４に示す。

（１）金属基板２０Ｓ
銅基板
熱膨張係数：１８ｐｐｍ、弾性率：１１７ＧＰａ、ポアソン比：０．３４３
アルミニウム基板
熱膨張係数：２４ｐｐｍ、弾性率：７２ＧＰａ、ポアソン比：０．３４３
（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

Ｅ値と、ミーゼス応力のシミュレーション値との関係を、図４に示す。図４において、横軸はＥ値を表し、縦軸はミーゼス応力のシミュレーション値を示す。Ｅ値とミーゼス応力のシミュレーション値の回帰直線は、ｙ＝０．９９９８ｘであり、決定係数（Ｒ２）は、０．９９２７であった。この結果から、Ｅ値とミーゼス応力のシミュレーション値とは高い相関と再現性を示すことがわかる。

［本発明例３］
（アルミナ粒子分散ポリイミド溶液の調製）
弾性率が１ＧＰａのポリイミド樹脂とＮＭＰ（Ｎ－メチル－２－ピロリドン）とを混合し、ポリイミド樹脂を溶解させることによって、ポリイミド樹脂濃度が１０質量％のポリイミド樹脂溶液を調製した。また、アルミナ粉末（平均粒子径：０．３μｍ）とＮＭＰとを混合し、３０分間超音波処理を行なうことによって、α－アルミナ粒子濃度が１０質量％のα－アルミナ粒子分散液を調製した。ポリイミド樹脂溶液とアルミナ粒子分散液とを、アルミナ濃度が７０体積％となる割合で混合した。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なって、アルミナ粒子分散ポリイミド樹脂溶液を調製した。なお、アルミナ濃度は、アルミナ粒子分散ポリイミド樹脂溶液を加熱して乾燥したときに生成する固形物中のアルミナ粒子の含有量である。

（ポリイミド樹脂溶液の調製）
弾性率が０．２７ＧＰａのポリイミド樹脂とＮＭＰとを混合し、ポリイミド樹脂を溶解させることによって、ポリイミド樹脂濃度が１０質量％のポリイミド樹脂溶液を調製した。

（アルミニウムベース基板の作製）
金属基板として、アルミニウム基板（縦：３０ｍｍ、横：２０ｍｍ、厚み：１０００μｍ、弾性率：７２ＧＰａ、熱膨張係数：１８ｐｐｍ）を用意した。このアルミニウム基板の上に、上記で調製したアルミナ粒子分散ポリイミド樹脂溶液を、バーコート法により塗布して塗布膜を形成した。次いで、塗布膜を形成したアルミニウム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、アルミニウム基板を２５０℃で１分間加熱した後、４００℃で１分間加熱した。こうして、アルミニウム基板の表面に、アルミナ粒子が分散されたポリイミド樹脂からなる第１絶縁層（厚み：２０μｍ、弾性率：２０ＧＰａ）を形成して、第１絶縁層付きアルミニウム基板を得た。

次いで、第１絶縁層付きアルミニウム基板の第１絶縁層の上に、上記で調製したポリイミド樹脂溶液を、バーコート法により塗布して塗布膜を形成した。形成した塗布膜を、３００℃で加熱乾燥して、ポリイミド樹脂からなる第２絶縁層（厚み：２９μｍ、弾性率：０．２７ＧＰａ）を形成した。こうして第１絶縁層と第２絶縁層とからなる絶縁層付きアルミニウムベース基板を得た。

得られた絶縁層付きアルミニウム基板の第２絶縁層の上に、回路層として銅箔（厚み：１４０μｍ、弾性率：１２５ＧＰａ）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、第２絶縁層と銅箔とを圧着した。こうして、アルミニウム基板と絶縁層と銅箔とがこの順で積層されたアルミニウムベース基板を作製した。

［本発明例２５］
（アルミナ粒子分散エポキシ溶液の調製）
弾性率が１ＧＰａのエポキシ樹脂とアルミナ粉末（平均粒子径：０．１８μｍ）とをアルミナ濃度が５０体積％となる割合で混合し、混錬機（ＡＲＥ－５０１：ＴＨＩＮＫＹ社製）にて混錬を行ってアルミナ粒子分散エポキシ樹脂組成物を調製した。

（アルミニウムベース基板の作製）
アルミニウム基板の厚みを１６００μｍとし、このアルミニウム基板の上に、上記で調製したアルミナ粒子分散エポキシ樹脂組成物をバーコーターにて塗布し、得られた塗布膜を加熱乾燥して、絶縁層（厚み：１１０μｍ、弾性率：８ＧＰａ）を一層のみ形成し、回路層として、厚み：１４０μｍ、弾性率：７５ＧＰａの銅箔を用いたこと以外は、本発明例３と同様にしてアルミニウムベース基板を作製した。

［本発明例３８］
金属基板として、厚み：１０００μｍ、弾性率：１１７ＧＰａ、熱膨張係数：１８ｐｐｍの銅基板を用いたこと、この銅基板の上に、弾性率が０．２７ＧＰａであるポリイミド樹脂のＮＭＰ溶液をバーコーターにて塗布し、得られた塗布膜を加熱乾燥して、絶縁層（厚み：３０μｍ、弾性率：０．２７ＧＰａ）を一層のみ形成し、回路層として厚み：１４０μｍ、弾性率：７５ＧＰａの銅箔を用いたこと以外は、本発明例３と同様にして銅ベース基板を作製した。

［本発明例４７］
銅基板の厚みを１４００μｍとしたこと以外は、本発明例３８と同様にして銅ベース基板を作製した。

［本発明例５３］
回路層として、厚み：３５μｍ、弾性率：１００ＧＰａの銅箔を用いたこと以外は、本発明例３８と同様にして銅ベース基板を作製した。

［本発明例５４］
金属基板として、厚み：１０００μｍ、弾性率：１１７ＧＰａ、熱膨張係数：１８ｐｐｍの銅基板を用いたこと、回路層として、厚み：３５μｍ、弾性率：１２５ＧＰａの銅箔を用いたこと以外は、本発明例３と同様にして銅ベース基板を作製した。

［本発明例６０］
銅基板の上に、本発明例２５と同様にして、絶縁層（厚み：１１０μｍ、弾性率：８ＧＰａ）を一層のみ形成したこと以外は、本発明例５４と同様にして銅ベース基板を作製した。

［本発明例７９］
銅基板の厚みを１８００μｍとしたこと、銅箔の厚みを１４０μｍとしたこと以外は、本発明例６０と同様にして銅ベース基板を作製した。

［比較例４］
金属基板として、厚み：１６００μｍ、弾性率：７２ＧＰａ、熱膨張係数：２４ｐｐｍのアルミニウム基板を用いたこと以外は、本発明例６０と同様にしてアルミニウムベース基板を作製した。

［評価］
本発明例３、２５、３８、４７、５３、５４、６０、７９及び比較例４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、研磨によって露出させた断面を観察して、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、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

上記の式（１）によって算出されるＥ値が３．１０×１０^８以下である本発明例３、２５、３８、４７、５３、５４、６０、７９の金属ベース基板は、比較例４の金属ベース基板と比較して冷熱サイクルに対する信頼性が向上することがわかる。これは、Ｅ値が３．１０×１０^８以下となるように、絶縁層の１００℃における弾性率、銅箔（回路層）の１００℃における弾性率、金属基板の１００℃における弾性率、絶縁層の厚み、銅箔の厚み、金属基板の厚み、金属基板の１００℃における熱膨張係数が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。また、特にＥ値が２．３０×１０^８以下である本発明例３、３８、４７、５３、５４、６０の金属ベース基板は、冷熱サイクルに対する信頼性が顕著に向上することがわかる。

１Ｓ接合構造体
１０金属ベース基板
１０Ｓ金属ベース基板
２０金属基板
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
６２ＳＡＩＮ（窒化アルミニウム）部材

Claims

金属基板と、少なくとも１層の絶縁層と、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、
前記無機物フィラーは平均粒子径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあり、
下記の式（１）で定義されるＥが、３．１０×１０^８以下である金属ベース基板。

ただし、式（１）において、Ｓは、下記の式（２）より算出される数を表し、

ただし、式（２）において、ｆ_０は、３．１４であり、ｆ_１は、－３．２５であり、Ｒ_０は、下記の式（３－０）より算出される値を表し、Ｒ_１は、下記の式（３－１）より算出される値を表し、

ただし、式（３－０）及び式（３－１）において、ｄ_０は－０．４２３であり、ｄ_１は、－２．０３であり、ｄ_２は、０．８０４であり、ｅ_０は５．２３であり、ｅ_１は、４．３０であり、ｅ_２は、－４．４０であり、Ｑ_０は、下記の式（４－０）より算出される値を表し、Ｑ_１は、下記の式（４－１）より算出される値を表し、Ｑ_２は、下記の式（４－２）より算出される値を表し、

ただし、式（４－０）、式（４－１）及び式（４－２）において、ａ_０は、７．５３であり、ａ_１は、３．０９であり、ａ_２は、０．３０８であり、ａ_３は、－０．１３７であり、ａ_４は、０．０３４２であり、ａ_５は、０．４５１であり、ｂ_０は、０．８３９であり、ｂ_１は、－０．１２７であり、ｂ_２は、０．０３８０であり、ｂ_３は、－２．７８であり、ｂ_４は、－０．８２８であり、ｂ_５は、－０．７６２であり、ｃ_０は、－３．６４であり、ｃ_１は、６．９８であり、ｃ_２は、０．３１９であり、ｃ_３は、－０．４５１であり、ｃ_４は、－０．７７６であり、ｃ_５は、０．１８９であり、Ｐ_０は、下記の式（５－０）より算出される値を表し、Ｐ_１は、下記の式（５－１）より算出される値を表し、Ｐ_２は、下記の式（５－２）より算出される値を表し、Ｐ_３は、下記の式（５－３）より算出される値を表し、Ｐ_４は、下記の式（５－４）より算出される値を表し、Ｐ_５は、下記の式（５－５）より算出される値を表し、

ただし、式（５－０）、式（５－１）、式（５－２）、式（５－３）、式（５－４）及び式（５－５）において、Ｋ_{ｒｅｓｉｎ}は、絶縁層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）を表し、Ｋ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}は、回路層の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）を表し、Ｋ_ｂａｓｅは、金属基板の１００℃における弾性率（単位：ＧＰａ）を表し、Ｔ_{ｒｅｓｉｎ}は、絶縁層の厚み（単位：μｍ）を表し、Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ}は回路層の厚み（単位：μｍ）を表し、Ｔ_ｂａｓｅは、金属基板の厚み（単位：μｍ）を表し、ＣＴＥ_ｂａｓｅは、金属基板の１００℃における熱膨張係数（単位：ｐｐｍ）を表す。
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。
前記絶縁層は、互いに１００℃における弾性率が異なる２層以上の積層体である請求項１または２に記載の金属ベース基板。