JP7647871B2 - Metal plate material, laminate, and insulated circuit board - Google Patents
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Description
この発明は、金属板材、樹脂部材と金属板材が積層された構造の積層体、および、絶縁回路基板に関するものである。
本願は、2021年3月26日に、日本に出願された特願2021-053449号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
The present invention relates to a metal plate, a laminate having a structure in which a resin member and a metal plate are laminated, and an insulating circuit board.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2021-053449, filed in Japan on March 26, 2021, the contents of which are incorporated herein by reference.
パワーモジュール、LEDモジュールおよび熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、LED素子および熱電素子が接合された構造とされている。なお、絶縁層としては、セラミックスを用いたものや絶縁樹脂を用いたものが提案されている。
ここで、絶縁樹脂層を備えた絶縁回路基板として、例えば特許文献1には、金属ベース回路基板が提案されている。また、特許文献2には、多層配線基板が提案されている。
In the power module, the LED module, and the thermoelectric module, a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are bonded to an insulating circuit board having a circuit layer made of a conductive material formed on one side of an insulating layer. As the insulating layer, those using ceramics or insulating resin have been proposed.
Here, as an insulating circuit board having an insulating resin layer, for example, Patent Document 1 proposes a metal base circuit board, and
特許文献1に記載された金属ベース回路基板においては、金属基板上に絶縁樹脂層が形成され、この絶縁樹脂層上に回路パターンを有する回路層が形成されている。ここで、絶縁樹脂層は、熱硬化型樹脂であるエポキシ樹脂で構成されており、回路層は、銅箔で構成されている。
この金属ベース回路基板においては、回路層上に半導体素子が接合され、金属基板の絶縁樹脂層とは反対側の面にヒートシンクが配設されており、半導体素子で発生した熱をヒートシンク側に伝達して放熱する構造とされている。
In the metal base circuit board described in Patent Document 1, an insulating resin layer is formed on a metal substrate, and a circuit layer having a circuit pattern is formed on the insulating resin layer. Here, the insulating resin layer is made of epoxy resin, which is a thermosetting resin, and the circuit layer is made of copper foil.
In this metal-based circuit board, a semiconductor element is bonded onto the circuit layer, and a heat sink is disposed on the side of the metal board opposite the insulating resin layer, so that heat generated by the semiconductor element is transferred to the heat sink side and dissipated.
また、特許文献2に記載された多層配線基板は、以下の方法によって製造されている。樹脂フィルムに接着した金属箔に対してエッチング処理することで金属箔の表面粗さ(Ra)を0.2μm以上とし、さらに回路パターン状にエッチング処理して配線回路層を形成する。樹脂フィルムの表面に形成された配線回路層を、軟質の絶縁シートの表面に圧力を加えながら埋設し、絶縁回路層を絶縁シートの表面に転写させる。このようにして得られた複数の絶縁シートを積層して一括して加熱硬化する。
The multilayer wiring board described in
ところで、絶縁樹脂層に金属板等を接合して回路層を形成した構造の絶縁回路基板においては、使用時に、絶縁樹脂層と回路層(金属板)の剥離や絶縁樹脂層と金属基板(金属板)の剥離が生じないように、絶縁樹脂層と回路層(金属板)の密着性や絶縁樹脂層と金属基板(金属板)の密着性を確保する必要がある。
ここで、特許文献1に記載された金属ベース回路基板においては、絶縁樹脂層と回路層との密着性や絶縁樹脂層と金属基板との密着性を向上させることは考慮されておらず、使用時に、絶縁樹脂層と回路層(金属板)の剥離や絶縁樹脂層と金属基板(金属板)の剥離が生じるおそれがあった。
In an insulating circuit board having a structure in which a circuit layer is formed by bonding a metal plate or the like to an insulating resin layer, it is necessary to ensure adhesion between the insulating resin layer and the circuit layer (metal plate) and between the insulating resin layer and the metal substrate (metal plate) so that peeling between the insulating resin layer and the circuit layer (metal plate) and between the insulating resin layer and the metal substrate (metal plate) does not occur during use.
Here, in the metal base circuit board described in Patent Document 1, no consideration is given to improving the adhesion between the insulating resin layer and the circuit layer, or between the insulating resin layer and the metal substrate, and there is a risk of peeling between the insulating resin layer and the circuit layer (metal plate) or between the insulating resin layer and the metal substrate (metal plate) during use.
一方、特許文献2に記載された多層配線基板においては、配線回路層の表面粗さ(Ra)を0.2μm以上として絶縁シートに埋設させることで、絶縁シートと配線回路層との密着性の向上を図っている。
ここで、配線回路層の表面粗さ(Ra)を0.2μm以上とした場合であっても、回路層側から突出する凸部が均一かつ緻密に形成されていない場合には、絶縁シートとの密着性が確保できないおそれがあった。
On the other hand, in the multilayer wiring board described in
Here, even if the surface roughness (Ra) of the wiring circuit layer is set to 0.2 μm or more, if the convex portions protruding from the circuit layer side are not formed uniformly and densely, there is a risk that adhesion with the insulating sheet cannot be ensured.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、積層した樹脂部材との密着性に優れる金属板材、この金属板材と樹脂部材とが積層された積層体、および、絶縁回路基板を提供することを目的とする。This invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a metal plate material that has excellent adhesion to a laminated resin member, a laminate in which this metal plate material and a resin member are laminated, and an insulated circuit board.
前述の課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、金属板にパルスめっきを行うことにより、複数の凸部を形成した粗化めっき層を形成できることが確認された。そして、この粗化めっき層を形成する際に、金属板の残留応力を低減することで、凸部を均一かつ緻密に形成することが可能となるとの知見を得た。 As a result of intensive research conducted by the present inventors to solve the above-mentioned problems, it was found that a roughened plating layer having multiple protrusions can be formed by performing pulse plating on a metal sheet. The inventors also discovered that by reducing the residual stress of the metal sheet when forming this roughened plating layer, it is possible to form uniform and dense protrusions.
本発明は、上述の知見を基になされたものであって、本発明の一態様に係る金属板材は、板本体と、この板本体の最表層に形成された粗化めっき層と、を有し、前記板本体は、厚さが0.05mm以上3mm以下の範囲内の圧延板とされており、前記粗化めっき層には、前記板本体とは反対側に向けて突出する凸部が形成されており、前記粗化めっき層の最表層から厚さ方向に6μmの領域において、KAM値が1.0以上である領域の面積率が10%以下とされており、前記粗化めっき層の最表面のSdr(展開界面面積率)が20%以上であるか、または前記粗化めっき層の最表面のR(展開界面線長率)が40%以上であることを特徴としている。 The present invention has been made based on the above-mentioned findings, and a metal sheet material according to one embodiment of the present invention has a sheet body and a roughened plating layer formed on the outermost layer of the sheet body, the sheet body being a rolled sheet having a thickness in the range of 0.05 mm to 3 mm, the roughened plating layer having a convex portion protruding toward the opposite side to the sheet body, the area ratio of an area having a KAM value of 1.0 or more in a region 6 μm in the thickness direction from the outermost layer of the roughened plating layer is 10% or less, and the Sdr (developed interface area ratio) of the outermost surface of the roughened plating layer is 20% or more, or the R (developed interface line length ratio) of the outermost surface of the roughened plating layer is 40% or more.
なお、KAM(Kernel Average Misorientation)値は、ある結晶粒内の1つのピクセルとそれを取り囲むピクセル間との方位差を平均値化することで算出される値である。ピクセルの形状は正六角形のため、近接次数を1とする場合(1st)、隣接する六つのピクセルとの方位差の平均値がKAM値として算出される。ただし隣接する測定点との間に結晶粒界がある場合はKAM値の計算には含まれない。
このKAM値を用いることで、局所的な方位差、すなわち、ひずみの分布を可視化することが可能となる。このKAM値が高い領域は、加工時に導入されたひずみが高い領域であり、残留応力が高くなる。
The KAM (Kernel Average Misorientation) value is calculated by averaging the misorientation between one pixel in a crystal grain and the pixels surrounding it. Since the shape of a pixel is a regular hexagon, when the proximity order is set to 1 (1st), the average misorientation between six adjacent pixels is calculated as the KAM value. However, if there is a grain boundary between adjacent measurement points, it is not included in the calculation of the KAM value.
By using this KAM value, it is possible to visualize the local misorientation, i.e., the distribution of strain. Regions with high KAM values are regions where the strain introduced during processing is high, and where residual stress is high.
この構成の金属板材によれば、前記粗化めっき層の最表層から厚さ方向に6μmの領域において、KAM値が1.0以上である領域の面積率が10%以下とされているので、表層部分の残留応力が低く抑えられおり、粗化めっき層において、板本体とは反対側に向けて突出する凸部を均一かつ緻密に形成することができる。
そして、前記粗化めっき層の最表面のSdr(展開界面面積率)が20%以上でるか、または前記粗化めっき層の最表面のR(展開界面線長率)が40%以上であるので、この粗化めっき層側に積層した樹脂部材との密着性を向上させることが可能となる。
In the metal sheet material having this configuration, in a region 6 μm in the thickness direction from the outermost layer of the roughened plating layer, the area ratio of the region having a KAM value of 1.0 or more is 10% or less. Therefore, the residual stress in the surface layer is kept low, and the roughened plating layer can have uniform and dense convex portions that protrude toward the opposite side of the plate body.
Since the Sdr (developed interface area ratio) of the outermost surface of the roughened plating layer is 20% or more, or the R (developed interface line length ratio) of the outermost surface of the roughened plating layer is 40% or more, it is possible to improve adhesion to a resin member laminated on the roughened plating layer side.
ここで、本発明の一態様に係る金属板材においては、前記凸部は、突出方向の先端側に向かうにしたがい漸次幅が広くなる拡幅部を備えていることが好ましい。
この場合、前記板本体とは反対側に向けて突出する凸部が、突出方向の先端側に向かうにしたがい漸次幅が広くなる拡幅部を備えているので、前記粗化めっき層側に積層した樹脂部材が凸部と確実に係合されることになり、樹脂部材との密着性を向上させることが可能となる。
Here, in the metal plate according to one aspect of the present invention, it is preferable that the protrusion has a widening portion whose width gradually increases toward the tip end in the protruding direction.
In this case, the convex portion protruding toward the opposite side to the plate body has a widening portion whose width gradually increases toward the tip side in the protruding direction, so that the resin member laminated on the roughened plating layer side is securely engaged with the convex portion, thereby making it possible to improve adhesion with the resin member.
また、本発明の一態様に係る金属板材においては、板本体が銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
この場合、板本体が銅又は銅合金で構成されているので、電気伝導性および熱伝導性に優れている。
In the metal sheet material according to one aspect of the present invention, the sheet body is preferably made of copper or a copper alloy.
In this case, since the plate body is made of copper or a copper alloy, it has excellent electrical conductivity and thermal conductivity.
本発明の一態様に係る積層体は、上述の金属板材の板面に、樹脂部材が積層された積層体であって、前記樹脂部材と前記金属板材との接合界面においては、前記金属板材の前記凸部に前記樹脂部材が係合していることを特徴としている。 The laminate according to one embodiment of the present invention is a laminate in which a resin member is laminated on the plate surface of the above-mentioned metal plate material, and is characterized in that at the joint interface between the resin member and the metal plate material, the resin member engages with the convex portion of the metal plate material.
この構成の積層体によれば、凸部が形成された金属板材の板面(粗化めっき層)に樹脂部材が積層されており、前記樹脂部材と前記金属板材との接合界面においては、前記金属板材の前記凸部と前記樹脂部材とが係合していることから、樹脂部材と金属板材との密着性を向上させることができる。
なお、積層体は、上述の金属板材と、前記金属板材の粗化めっき層側の板面に積層された樹脂部材を有すると言うこともできる。
According to a laminate of this configuration, a resin member is laminated on the sheet surface (roughened plating layer) of a metal sheet material on which a convex portion is formed, and at the joint interface between the resin member and the metal sheet material, the convex portion of the metal sheet material and the resin member are engaged with each other, thereby improving adhesion between the resin member and the metal sheet material.
It can also be said that the laminate has the above-mentioned metal sheet and a resin member laminated on the sheet surface of the metal sheet on the side of the roughened plating layer.
本発明の一態様に係る絶縁回路基板は、絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層は、上述の金属板材を、前記絶縁樹脂層の一方の面に接合することにより形成されており、前記絶縁樹脂層と前記回路層との接合界面においては、前記金属板材の前記凸部に前記絶縁樹脂層が係合していることを特徴としている。An insulated circuit board according to one embodiment of the present invention is an insulated circuit board comprising an insulating resin layer and a circuit layer formed on one side of the insulating resin layer, the circuit layer being formed by bonding the above-mentioned metal plate material to one side of the insulating resin layer, and characterized in that the insulating resin layer engages with the convex portion of the metal plate material at the bonding interface between the insulating resin layer and the circuit layer.
この構成の絶縁回路基板によれば、凸部が形成された金属板材の板面(粗化めっき層)を絶縁樹脂層の一方の面に接合することにより回路層が形成されており、前記絶縁樹脂層と前記回路層との接合界面においては、前記回路層(銅部材)の前記凸部に前記絶縁樹脂層が係合していることから、回路層と絶縁樹脂層との密着性を向上させることができる。 In an insulating circuit board of this configuration, a circuit layer is formed by bonding the plate surface (roughened plating layer) of a metal plate material on which a convex portion is formed to one side of an insulating resin layer, and at the bonding interface between the insulating resin layer and the circuit layer, the insulating resin layer engages with the convex portion of the circuit layer (copper member), thereby improving adhesion between the circuit layer and the insulating resin layer.
本発明の他の態様に係る絶縁回路基板は、絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁樹脂層の他方の面に形成された金属基板と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層及び前記金属基板のいずれか一方又は両方は、上述の金属板材を、前記絶縁樹脂層の面に接合することにより形成されており、前記絶縁樹脂層と前記回路層との接合界面、及び前記絶縁樹脂層と前記金属基板との接合界面のうち、いずれか一方又は両方においては、前記金属板材の前記凸部に前記絶縁樹脂層が係合していることを特徴としている。 An insulated circuit board according to another aspect of the present invention is an insulated circuit board comprising an insulating resin layer, a circuit layer formed on one side of the insulating resin layer, and a metal substrate formed on the other side of the insulating resin layer, wherein either or both of the circuit layer and the metal substrate are formed by bonding the above-mentioned metal plate material to the surface of the insulating resin layer, and the insulating resin layer is engaged with the convex portion of the metal substrate at either or both of the bonding interface between the insulating resin layer and the circuit layer and the bonding interface between the insulating resin layer and the metal substrate.
この構成の絶縁回路基板によれば、凸部が形成された金属板材の板面(粗化めっき層)を絶縁樹脂層の面に接合することにより、回路層及び金属基板のいずれか一方又は両方が形成されている。前記絶縁樹脂層と前記回路層との接合界面、及び前記絶縁樹脂層と前記金属基板との接合界面のうち、いずれか一方又は両方においては、前記金属板材の前記凸部に前記絶縁樹脂層が係合している。このため、回路層と絶縁樹脂層との密着性又は金属基板と絶縁樹脂層との密着性を向上させることができる。 In an insulating circuit board of this configuration, one or both of a circuit layer and a metal substrate are formed by bonding the plate surface (roughened plating layer) of a metal substrate on which a convex portion is formed to the surface of an insulating resin layer. At one or both of the bonding interfaces between the insulating resin layer and the circuit layer and between the insulating resin layer and the metal substrate, the insulating resin layer engages with the convex portion of the metal substrate. This makes it possible to improve adhesion between the circuit layer and the insulating resin layer or between the metal substrate and the insulating resin layer.
本発明の一態様及び他の態様によれば、積層した樹脂部材との密着性に優れる金属板材、この金属板材と樹脂部材とが積層された積層体、および、絶縁回路基板を提供することが可能となる。According to one and other aspects of the present invention, it is possible to provide a metal sheet material having excellent adhesion to a laminated resin member, a laminate in which this metal sheet material and a resin member are laminated, and an insulated circuit board.
以下に、本発明の実施形態である金属板材、積層体、および、絶縁回路基板について、添付した図面を参照して説明する。
図1に、本発明の実施形態である絶縁回路基板10およびこの絶縁回路基板10を用いたパワーモジュール1を示す。
本実施形態に係る絶縁回路基板10は、絶縁樹脂層12と、絶縁樹脂層12の一方の面に形成された回路層13と、絶縁樹脂層12の他方の面に形成された金属基板11と、を備える。回路層13と金属基板11の両者は、本実施形態に係る金属板材30を絶縁樹脂層12の面に接合することにより形成されている。
絶縁樹脂層12は、樹脂部材の一例であり、本実施形態に係る絶縁回路基板10は、本実施形態に係る積層体であると言うこともできる。本実施形態に係る積層体は、本実施形態に係る金属板材30と、樹脂部材を有し、金属板材30の板面(粗化めっき層)に、樹脂部材が積層されている。言い換えると、金属板材30は、樹脂部材の面に接合している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a metal plate, a laminate, and an insulating circuit board according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows an
The
The
図1に示すパワーモジュール1は、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の一方の面(図1において上面)に第1はんだ層2を介して接合された半導体素子3と、絶縁回路基板10の他方側(図1において下側)に第2はんだ層42を介して接合されたヒートシンク41と、を備えている。The power module 1 shown in Figure 1 comprises an
半導体素子3は、Si等の半導体材料で構成されている。絶縁回路基板10と半導体素子3とを接合する第1はんだ層2は、例えばSn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)とされている。The
ヒートシンク41は、絶縁回路基板10側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク41は、熱伝導性が良好な銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等で構成されている。本実施形態においては、無酸素銅からなる放熱板とされている。なお、ヒートシンク41の厚さは、3mm以上10mm以下の範囲内に設定されている。
ここで、絶縁回路基板10とヒートシンク41とは、第2はんだ層42を介して接合されている。この第2はんだ層42は、上述の第1はんだ層2と同様の構成とすることができる。
The
Here, the
そして、本実施形態である絶縁回路基板10は、図1に示すように、金属基板11と、金属基板11の一方の面(図1において上面)に形成された絶縁樹脂層12と、絶縁樹脂層12の一方の面(図1において上面)に形成された回路層13と、を備えている。As shown in FIG. 1, the insulating
金属基板11は、絶縁回路基板10に搭載された半導体素子3において発生した熱を面方向に拡げることによって、放熱特性を向上させる作用を有する。このため、金属基板11は、熱伝導性に優れた金属、例えば銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。本実施形態では、無酸素銅の圧延板で構成されている。また、金属基板11の厚さは、0.05mm以上3mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、2.0mmに設定されている。The
絶縁樹脂層12は、回路層13と金属基板11との間の電気的接続を防止するものであり、絶縁性を有する熱硬化型樹脂で構成されている。
本実施形態では、絶縁樹脂層12の強度を確保するとともに、熱伝導性を確保するために、フィラーを含有する熱硬化型樹脂が用いられている。ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を用いることができる。また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。本実施形態では、絶縁樹脂層12は、フィラーとして窒化ホウ素を含有するエポキシ樹脂で構成されている。また、絶縁樹脂層12の厚さは、20μm以上250μm以下の範囲内とされており、本実施形態では、150μmとされている。
The insulating
In this embodiment, a thermosetting resin containing a filler is used to ensure the strength of the insulating
回路層13は、図4に示すように、絶縁樹脂層12の一方の面(図4において上面)に、本実施形態である金属板材30が接合され、回路パターンが形成されている。詳細には、絶縁樹脂層12の一方の面と、金属板材30の粗化めっき層35側の面とが接合されている。なお、まず金属板材30に回路パターンを形成し、次いで回路パターンが形成された金属板材30を絶縁樹脂層12の一方の面に接合してもよい。
この回路層13においては、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層13の厚さは0.3mm以上3mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.5mmに設定されている。
As shown in Fig. 4, the
A circuit pattern is formed on this
ここで、上述の回路層13となる本実施形態の金属板材30について、図2A、図2Bを参照して説明する。
本実施形態である金属板材30は、電気伝導性および熱伝導性に優れた金属で構成されており、本実施形態では、銅又は銅合金で構成されており、具体的には無酸素銅で構成されている。
そして、本実施形態である金属板材30においては、図2Aに示すように、板本体31と、この板本体31の最表層に形成された粗化めっき層35と、を備えている。
Here, the
The
As shown in FIG. 2A , the
この粗化めっき層35には、図2Bに示すように、板本体31とは反対側(図2Bにおいて上側)に向けて突出する凸部36が形成されている。
なお、本実施形態では、凸部36として、図2Bに示すように、突出方向の先端側に向かうにしたがい漸次幅が広くなる拡幅部36aを備えているものが存在していることが好ましい。
As shown in FIG. 2B, the roughened
In this embodiment, it is preferable that the
そして、本実施形態である金属板材30においては、粗化めっき層35の最表層から厚さ方向に6μmの領域における銅部分の面積を100%とした場合に、KAM値が1.0以上である領域の面積率が10%以下とされている。
また、粗化めっき層35の最表面のSdr(展開界面面積率)が20%以上であるか、または粗化めっき層35の最表面のR(展開界面線長率)が40%以上である。
In the
In addition, the Sdr (developed interface area ratio) of the outermost surface of the roughened
そして、本実施形態である絶縁回路基板10は、絶縁樹脂層12と回路層13との接合界面において、回路層13(金属板材30)の凸部36と絶縁樹脂層12とが係合しており、回路層13(金属板材30)と絶縁樹脂層12とが互いに入り込んだ構造とされている。In the insulating
なお、本実施形態では、金属基板11は、絶縁樹脂層12の他方の面(図4において下面)に、本実施形態である金属板材30が接合されることにより形成されている。詳細には、絶縁樹脂層12の他方の面と、金属板材30の粗化めっき層35側の面とが接合されている。絶縁樹脂層12と金属基板11との接合界面においても、金属基板11(金属板材30)の凸部と絶縁樹脂層12とが係合しており、金属基板11(金属板材30)と絶縁樹脂層12とが互いに入り込んだ構造とされている。In this embodiment, the
以下に、本実施形態である絶縁回路基板10の回路層13及び金属基板11を構成する金属板材30において、KAM値が1.0以上である領域の面積率、粗化めっき層35の最表面のSdr(展開界面面積率)、粗化めっき層35の最表面のR(展開界面線長率)を、上述のように規定した理由について説明する。The reasons for specifying the area ratio of the region having a KAM value of 1.0 or more, the Sdr (developed interface area ratio) of the outermost surface of the roughened
(KAM値が1.0以上である領域の面積率)
EBSD法により測定されるKAM(Kernel Average Misorientation)値は、局所的な方位差、すなわち、ひずみの分布を評価したものであり、このKAM値が高い領域は、加工時に導入されたひずみが高い領域であり、残留応力が高くなる。
(Area ratio of region having KAM value of 1.0 or more)
The KAM (Kernel Average Misorientation) value measured by the EBSD method evaluates the local misorientation, i.e., the distribution of strain. Regions with high KAM values are regions where high strain was introduced during processing, and where residual stress is high.
本実施形態の金属板材30においては、粗化めっき層35の最表層から厚さ方向に6μmの領域におけるKAM値が1.0以上である領域の面積率が低いと、ひずみが高い領域が少なく残留応力が十分に低減されていることになり、粗化めっき層35において、均一かつ緻密に凸部36を形成することが可能となる。
このため、本実施形態の金属板材30においては、粗化めっき層35の最表層から厚さ方向に6μmの領域におけるKAM値が1.0以上である領域の面積率を10%以下に制限している。
In the
For this reason, in the
なお、粗化めっき層35の最表層から厚さ方向に6μmの領域におけるKAM値が1.0以上である領域の面積率は、5%以下であることが好ましく、3%以下であることがさらに好ましい。上述の面積率の下限には、特に制限はなく、0%であることが最も好ましい。
ここで、観察視野において、最も突出した凸部36の頂部が「粗化めっき層35の最表層」となり、ここから厚さ方向に6μmの領域の金属部分の面積を100%とし、KAM値が1.0以上である領域の面積率を算出することになる。
The area ratio of the area having a KAM value of 1.0 or more in the area 6 μm from the outermost layer of the roughened
Here, in the observation field, the top of the most protruding
(粗化めっき層35の最表面のSdr)
Sdr(展開界面面積率)は、凹凸による表面積の増加割合を示す指標である。金属板材30と平行な平面をXY平面とし、凹凸の輪郭曲面の表面積をA1とし、表面をXY平面に投影したときの表面積(投影面積)をA0とすると、Sdrは以下の式で表される。
Sdr={(A1/A0)-1}×100(%)
Sdrが大きいと、凸部(表面の形状)が緻密で起伏が大きいことになる。
このため、本実施形態の金属板材30においては、粗化めっき層35の最表面のSdr(展開界面面積率)を20%以上に規定している。
なお、粗化めっき層35の最表面のSdr(展開界面面積率)は、40%以上であることが好ましく、65%以上であることがさらに好ましい。粗化めっき層35の最表面のSdr(展開界面面積率)の上限に特に制限はないが、測定方法に鑑みて現実的には150%以下となる。
Sdr(展開界面面積率)は、以下の方法によって測定される。金属板材30の粗化めっき層35の表面のうち、129μm×129μmの範囲を、レーザ顕微鏡の100倍の対物レンズを使用して観察する。サンプルの傾き、ノイズを除去する処理を行う。得られた画像を解析し、上述の式によりSdr(展開界面面積率)を算出する。
通常、Sdr(展開界面面積率)は、絶縁樹脂層(樹脂部材)12に接合される前の金属板材30にて測定される。
絶縁回路基板(積層体)10の回路層13や金属基板11が金属板材30であり、金属板材30が絶縁樹脂層(樹脂部材)12に接合された状態である場合、絶縁回路基板(積層体)10における金属板材30(回路層13や金属基板11)のSdr(展開界面面積率)は、以下の方法により測定される。有機溶媒などにより絶縁樹脂層(樹脂部材)12を溶解するか、又は絶縁回路基板(積層体)10を焼成することにより、絶縁樹脂層(樹脂部材)12を除去する。このようにして、金属板材30と絶縁樹脂層(樹脂部材)12の接合界面(金属板材30の粗化めっき層35の表面)を露出させる。そして、上述したようにレーザ顕微鏡を用いて表面を観察する。得られた画像を解析し、上述の式によりSdr(展開界面面積率)を算出する。
(Sdr of the outermost surface of the roughened plating layer 35)
Sdr (developed interface area ratio) is an index showing the increase rate of surface area due to unevenness. If the plane parallel to the
Sdr={(A 1 /A 0 )-1}×100(%)
If Sdr is large, the projections (surface shape) are dense and have large undulations.
For this reason, in the
The Sdr (developed interface area ratio) of the outermost surface of the roughened
Sdr (developed interface area ratio) is measured by the following method. An area of 129 μm×129 μm on the surface of the roughened
Usually, Sdr (developed interface area ratio) is measured on the
When the
(粗化めっき層35の最表面のR)
粗化めっき層35の断面における表面の曲線を断面曲線とすると、R(展開界面線長率)は、凹凸による断面曲線の線長の増加割合を示す指標である。断面曲線の線長をL1とし、断面曲線をX軸に投影したときの長さ(投影長さ)をL0とすると、Rは以下の式で表される。なお、断面における粗化めっき層の厚み方向をY軸とし、Y軸と直交する方向をX軸とする。
R={(L1/L0)-1}×100(%)
Rが大きいと、凸部(表面の形状)が緻密で起伏が大きいことになる。
このため、本実施形態の金属板材30においては、粗化めっき層35の最表面のR(展開界面線長率)を40%以上に規定している。R(展開界面線長率)は、100%以上が好ましく、150%以上が更に好ましい。R(展開界面線長率)の上限に特に制限はないが、現実的には1000%以下となる。
R(展開界面線長率)は、以下の方法によって測定される。金属板材30の長手方向に平行な断面と、金属板材30の長手方向に直行する方向の断面を用意する。それぞれの断面のうち、断面曲線の115μmの範囲を、走査型電子顕微鏡を用いて1000倍の倍率で観察する。得られた画像を解析し、上述の式によりR(展開界面線長率)を算出する。金属板材30の長手方向に平行な断面におけるR(展開界面線長率)と、金属板材30の長手方向に直行する方向の断面におけるR(展開界面線長率)の平均値を、その金属板材30の粗化めっき層35のR(展開界面線長率)とする。
絶縁回路基板(積層体)10の回路層13や金属基板11が金属板材30であり、金属板材30が絶縁樹脂層(樹脂部材)12に接合された状態である場合、絶縁回路基板(積層体)10における金属板材30(回路層13や金属基板11)のR(展開界面線長率)は、以下の方法により測定される。絶縁回路基板(積層体)10の長手方向に平行な断面と、絶縁回路基板(積層体)10の長手方向に直行する方向の断面を用意する。それぞれの断面を走査型電子顕微鏡を用いて1000倍の倍率で観察する。断面において、金属板材30と絶縁樹脂層(樹脂部材)12との接合界面における粗化めっき層35の断面曲線を特定する。断面曲線の115μmの範囲を観察する。得られた画像を解析し、上述の式によりR(展開界面線長率)を算出する。絶縁回路基板(積層体)10の長手方向に平行な断面におけるR(展開界面線長率)と、絶縁回路基板(積層体)10の長手方向に直行する方向の断面におけるR(展開界面線長率)の平均値を、その金属板材30の粗化めっき層35のR(展開界面線長率)とする。
なお、金属板材30から独立し絶縁樹脂層(樹脂部材)12中に存在する金属片の輪郭や絶縁樹脂層(樹脂部材)12から独立し金属板材30中に存在する樹脂片の輪郭は、断面曲線の線長(L1)に含めない。
絶縁回路基板(積層体)10における金属板材30(回路層13や金属基板11)のSdr(展開界面面積率)に比べて、絶縁回路基板(積層体)10における金属板材30(回路層13や金属基板11)のR(展開界面線長率)は、簡便に測定できる。
(R of the outermost surface of the roughened plating layer 35)
If the surface curve in the cross section of the roughened
R={(L 1 /L 0 )-1}×100(%)
If R is large, the convex portions (surface shape) are dense and have large undulations.
For this reason, in the
R (developed interface line ratio) is measured by the following method. A cross section parallel to the longitudinal direction of the
When the
In addition, the outline of a metal piece that is separate from the
Compared to Sdr (developed interface area ratio) of metal sheet material 30 (
次に、本実施形態である絶縁回路基板10の製造方法について、図3および図4を参照して説明する。
なお、図4では、金属基板11に金属板材の符号30が付されていないが、金属基板11は、金属板材30であり、板本体31と、板本体31の最表層に形成された粗化めっき層35と、を有する。
Next, a method for manufacturing the insulating
In addition, in Figure 4, the
(応力低減工程S01)
まず、回路層13となる金属板材30において、板本体31の表面(粗化めっき層35を形成する面)近傍の残留応力を低減する。同様に、金属基板11の表面(粗化めっき層35を形成する面)近傍の残留応力を低減する。
残留応力の低減方法に特に制限はないが、例えば、化学研磨、熱処理、直流電解めっき等を適用することができる。
(Stress reduction step S01)
First, in the
There is no particular limitation on the method for reducing the residual stress, but for example, chemical polishing, heat treatment, direct current electrolytic plating, etc. can be applied.
化学研磨においては、例えば、化学研磨液(例えば、硫酸と過酸化水素の混合液)を使用して、板本体31の表面を除去することで、板本体31の表面近傍の残留応力を低減する。
熱処理においては、例えば、400℃以上600℃以下の温度で1時間以上2時間以下保持することで、板本体31の表面近傍の残留応力を低減する。
直流電解めっきにおいては、例えば、板本体31の表面を電解脱脂処理、酸洗処理し、次いで、高温かつ低電流密度にて6μm以上成膜する。その後、常温で数日置く、もしくは、150℃×1時間の熱処理を行うことで、板本体31の表面近傍の残留応力を低減する。
In chemical polishing, for example, a chemical polishing liquid (for example, a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide) is used to remove the surface of the
In the heat treatment, for example, the
In DC electrolytic plating, for example, the surface of the
(表面粗化工程S02)
次に、表面の残留応力を低減した板本体31の表面に粗化めっき層35を形成する。本実施形態では、金属基板11にも粗化めっき層35を形成する。この粗化めっき層35は、以下のようにして形成される。
板本体31(および金属基板11)の接合面に電解めっき処理を施す。本実施形態では、電解めっき液として硫酸銅(CuSO4)および硫酸(H2SO4)を主成分とした硫酸銅浴に、3,3’-ジチオビス(1-プロパンスルホン酸)2ナトリウムを添加した水溶液からなる電解液を用いることが好ましい。また、めっき浴の温度は例えば25℃以上35℃以下の範囲内とすることが好ましい。
(Surface roughening step S02)
Next, a roughened
The joining surface of the plate body 31 (and the metal substrate 11) is subjected to electrolytic plating. In this embodiment, it is preferable to use an electrolytic solution consisting of an aqueous solution of
そして、電解めっき処理としては、まず、直流電解めっき法で実施し、その後、PR(Periodic Reverse)パルス電解めっき法で実施する。
直流電解めっき法においては、電流密度を1A/dm2以上20A/dm2以下の範囲内、印加時間を10秒以上120秒以下の範囲内とする。
この直流電解めっきを実施することにより、板本体31の表面に位置する表層結晶粒が粗大な場合でも、後述するPRパルス電解めっきによって、凸部36を十分に形成することが可能となる。
特に、応力低減工程S01において、化学研磨や熱処理を実施した場合には、表層結晶粒が粗大化し易いため、直流電解めっきを実施することが好ましい。
The electrolytic plating process is first performed by a direct current electrolytic plating method, and then by a PR (periodic reverse) pulse electrolytic plating method.
In the direct current electrolytic plating method, the current density is set to be within the range of 1 A/dm 2 or more and 20 A/dm 2 or less, and the application time is set to be within the range of 10 seconds or more and 120 seconds or less.
By carrying out this DC electrolytic plating, even if the surface crystal grains located on the surface of the
In particular, when chemical polishing or heat treatment is performed in the stress reducing step S01, the surface crystal grains are likely to become coarse, so it is preferable to perform direct current electrolytic plating.
PRパルス電解めっき法は、電流の方向を周期的に反転させながら通電して電解めっきする方法である。例えば、1A/dm2以上30A/dm2以下の正電解(板本体31(および金属基板11)を陽極とする陽極電解)を1ms以上1000ms以下、1A/dm2以上30A/dm2以下の負電解(板本体31(および金属基板11)を負極とする負極電解)を1ms以上1000ms以下として、これを繰り返す。これにより、板本体31(および金属基板11)の表面の溶解と銅の析出とが繰り返し実施され、粗化めっき層35が形成されることになる。
The PR pulse electrolytic plating method is a method of electrolytic plating in which the direction of the current is periodically reversed while passing it through. For example, positive electrolysis (anodic electrolysis with the plate body 31 (and metal substrate 11) as the anode) of 1 A/dm 2 or more and 30 A/dm 2 or less is performed for 1 ms or more and 1000 ms or less, and negative electrolysis (negative electrolysis with the plate body 31 (and metal substrate 11) as the negative electrode) of 1 A/dm 2 or more and 30 A/dm 2 or less is performed for 1 ms or more and 1000 ms or less, and this is repeated. As a result, dissolution of the surface of the plate body 31 (and metal substrate 11) and precipitation of copper are repeatedly performed, and the roughened
ここで、粗化めっき層35を形成する板本体31(および金属基板11)の表面性状、および、各種めっき条件(パルス印加時間、パルス波形(析出量/溶解量比)、パルス周波数)によって、粗化めっき層35における凸部36の個数を調整することができる。
例えば、パルス印加時間を長くするか、パルス波形として析出量/溶解量比を調整すると、凸部36の大きさを大きくさせることができる。パルス周波数を調整すると、凸部36の個数を増加させることができる。
Here, the number of
For example, the size of the
(積層工程S03)
次に、金属基板11の一方の面(図4において上面)に、フィラーとしての窒化ホウ素と熱硬化型樹脂としてのエポキシ樹脂と硬化剤とを含有する樹脂組成物22を配設する。なお、本実施形態では、樹脂組成物22は、シート状に形成されている。
また、この樹脂組成物22の一方の面(図4において上面)に、回路層13となる金属板材30を配設する。
なお、樹脂組成物22は、金属基板11および金属板材30の粗化めっき層35が形成された面に直接接するように積層される。
(Lamination step S03)
Next, a
Moreover, a
The
(熱圧着工程S04)
次に、積層した金属基板11、樹脂組成物22、金属板材30を、積層方向に加圧しながら加熱して、樹脂組成物22を硬化させて絶縁樹脂層12を形成するとともに、金属基板11と絶縁樹脂層12、絶縁樹脂層12と金属板材30を接合する。
この熱圧着工程S04の条件は、加熱温度を100℃以上400℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間を30分以上90分以下の範囲内、積層方向の加圧圧力を1MPa以上100MPa以下の範囲内とすることが好ましい。
(Thermocompression bonding process S04)
Next, the stacked
The conditions for this thermocompression step S04 are preferably a heating temperature in the range of 100° C. to 400° C., a holding time at the heating temperature in the range of 30 minutes to 90 minutes, and a pressure in the stacking direction in the range of 1 MPa to 100 MPa.
(回路パターン形成工程S05)
次に、絶縁樹脂層12に接合された金属板材30に対してエッチング処理を行い、回路パターンを形成し、回路層13を得る。
(Circuit pattern forming process S05)
Next, the
以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板10が製造される。
In this manner, the insulated
(ヒートシンク接合工程S06)
次に、この絶縁回路基板10の金属基板11の他方の面にヒートシンク41を接合する。本実施形態では、金属基板11とヒートシンク41とを、はんだ材を介して接合している。
(Heat sink bonding step S06)
Next, the
(半導体素子接合工程S07)
そして、絶縁回路基板10の回路層13に半導体素子3を接合する。本実施形態では、回路層13と半導体素子3とを、はんだ材を介して接合している。
以上の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製造される。
(Semiconductor element bonding step S07)
Then, the
Through the above steps, the power module 1 shown in FIG. 1 is manufactured.
以上のような構成とされた本実施形態に係る金属板材30および絶縁回路基板10(積層体)によれば、粗化めっき層35の最表層から厚さ方向に6μmの領域において、KAM値が1.0以上である領域の面積率が10%以下とされているので、表層の残留応力が低く抑えられており、粗化めっき層35において、板本体31とは反対側に向けて突出する凸部36を均一かつ緻密に形成することができる。
そして、粗化めっき層35の最表面のSdr(展開界面面積率)が20%以上であるか、または粗化めっき層35の最表面のR(展開界面線長率)が40%以上であるので、凸部36が均一かつ緻密に形成されており、粗化めっき層35側に積層した絶縁樹脂層12と上述の凸部36とが係合することにより、回路層13(金属板材30)と絶縁樹脂層12との密着性、及び金属基板11(金属板材30)と絶縁樹脂層12との密着性を向上させることが可能となる。
In the
Furthermore, since the Sdr (developed interface area ratio) of the outermost surface of the roughened
本実施形態において、板本体31とは反対側に向けて突出する凸部36が、突出方向の先端側に向かうにしたがい漸次幅が広くなる拡幅部36aを備えているものを含む場合には、粗化めっき層35側に積層した絶縁樹脂層12が凸部36と確実に係合されることになり、回路層13(金属板材30)と絶縁樹脂層12との密着性、及び金属基板11(金属板材30)と絶縁樹脂層12との密着性をさらに向上させることが可能となる。In this embodiment, when the
また、本実施形態においては、板本体31が銅又は銅合金で構成されているので、電気伝導性および熱伝導性に優れた回路層13(金属板材30)を形成することができる。
In addition, in this embodiment, since the
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、その発明の技術的要件を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本実施形態においては、図3および図4に示す絶縁回路基板の製造方法によって絶縁回路基板を製造するものとして説明したが、これに限定されることはない。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be modified as appropriate without departing from the technical requirements of the invention.
In the present embodiment, the insulating circuit board is manufactured by the method for manufacturing the insulating circuit board shown in FIGS. 3 and 4, but the present invention is not limited to this.
また、本実施形態においては、回路層13を形成する金属板材30として、無酸素銅で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよいし、アルミニウム又はアルミニウム合金等の他の金属で構成されたものであってもよい。さらに、複数の金属が積層された構造のものであってもよい。In addition, in this embodiment, the
さらに、本実施形態においては、金属基板11を、無酸素銅で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよいし、アルミニウム又はアルミニウム合金等の他の金属で構成されたものであってもよい。さらに、複数の金属が積層された構造のものであってもよい。
金属基板11は、ヒートシンクであってもよい。すなわち、ヒートシンクが直接絶縁樹脂層12の他方の面に接合されてもよい。
Furthermore, in this embodiment, the
The
また、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。In addition, in this embodiment, a power module is configured by mounting a semiconductor element on an insulating circuit board, but this is not limited to the above. For example, an LED module may be configured by mounting an LED element on a circuit layer of an insulating circuit board, or a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on a circuit layer of an insulating circuit board.
本実施形態では、回路層13と金属基板11の両者が、本実施形態に係る金属板材30を絶縁樹脂層12の面に接合することにより形成されているものとして説明したが、これに限定されることはない。回路層13と金属基板11のいずれか一方が、本実施形態に係る金属板材30を絶縁樹脂層12の面に接合することにより形成されていれば、本実施形態に記載の作用効果が得られる。特に、回路層13が本実施形態に係る金属板材30である場合よりも、金属基板11が本実施形態に係る金属板材30である場合の方が、本実施形態に記載の作用効果を得やすい。In this embodiment, both the
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。Below, we explain the results of the confirmation experiments conducted to confirm the effectiveness of the present invention.
無酸素銅の圧延板からなる金属基板(40mm×40mm×厚さ2mm)および回路層となる金属板材(40mm×40mm×厚さ0.5mm)を準備し、これら金属基板および金属板材の絶縁樹脂層との接合面となる面に対して、表1に示すように応力低減工程を実施し、その後、上述の実施形態に記載した直流電解めっき法およびPRパルス電解めっき法によって粗化めっき層を形成した。なお、めっき条件を表1に示す。表1のPRパルス電解の印加時間は、パルス電流の合計印加時間である。A metal substrate (40 mm x 40 mm x 2 mm thick) made of rolled oxygen-free copper and a metal sheet material (40 mm x 40 mm x 0.5 mm thick) that will become the circuit layer were prepared, and a stress reduction process was carried out on the surfaces of the metal substrate and metal sheet material that will become the bonding surfaces with the insulating resin layer as shown in Table 1. After that, a roughened plating layer was formed by the DC electrolytic plating method and the PR pulse electrolytic plating method described in the above embodiment. The plating conditions are shown in Table 1. The application time of the PR pulse electrolysis in Table 1 is the total application time of the pulse current.
そして、金属基板の粗化めっき層が形成された面に、フィラーとして窒化ホウ素を含むエポキシ樹脂を含有する樹脂組成物のシート材(40mm×40mm×厚さ0.15mm)を配置した。
また、この樹脂組成物のシート材の一方の面に、回路層となる金属板材を、粗化めっき層が形成された面が樹脂組成物のシート材側を向くように、積層した。
Then, a sheet material (40 mm×40 mm×0.15 mm thick) of a resin composition containing an epoxy resin containing boron nitride as a filler was placed on the surface of the metal substrate on which the roughened plating layer was formed.
In addition, a metal plate material to become a circuit layer was laminated on one surface of the sheet material of the resin composition such that the surface on which the roughened plating layer was formed faced the sheet material side of the resin composition.
上述のように積層した金属基板と樹脂組成物のシート材と金属板材とを、積層方向に加圧しながら加熱し、樹脂組成物を硬化させて絶縁樹脂層を形成するとともに、金属基板と絶縁樹脂層、および、絶縁樹脂層と金属板材を接合し、絶縁回路基板を得た。なお、積層方向の加圧圧力は10MPa、加熱温度は180℃、加熱温度での保持時間は60分とした。
以上のようにして、得られた金属板材および絶縁回路基板について、以下の項目についてそれぞれ評価した。
The metal substrate, the resin composition sheet material, and the metal plate material laminated as described above were heated while being pressed in the lamination direction, the resin composition was cured to form an insulating resin layer, and the metal substrate and the insulating resin layer, and the insulating resin layer and the metal plate material were bonded to obtain an insulating circuit substrate. The pressure in the lamination direction was 10 MPa, the heating temperature was 180° C., and the holding time at the heating temperature was 60 minutes.
The metal plates and insulating circuit boards thus obtained were evaluated for the following items.
(KAM値が1.0以上である領域の面積率)
金属板材の圧延の幅方向に対して垂直な面、すなわちTD面(Transverse direction)および圧延方向に垂直な面、すなわちRD面(Rolling direction)を観察面として、EBSD測定装置及びOIM解析ソフトによって、次のようにKAM値を測定した。
(Area ratio of region having KAM value of 1.0 or more)
The KAM value was measured as follows using an EBSD measuring device and OIM analysis software, with the observation planes being a plane perpendicular to the rolling width direction of the metal sheet, i.e., the TD plane (transverse direction) and a plane perpendicular to the rolling direction, i.e., the RD plane (rolling direction).
耐水研磨紙を用いて観察面の機械研磨を行った。次いで、断面イオン加工装置(日立ハイテク社製IM-4000)を用いて、断面イオン加工を行った。そして走査型電子顕微鏡(Carl Zeiss社製 ULTRA55)に搭載されたEBSD検出器(TSL/EDAX社製 Hikari)を用いて電子線の加速電圧15kV、測定間隔0.1μmステップで、観察面においてめっき表面に垂直に幅7μm、めっき表面と平行に幅30μmの範囲以上でEBSDパターンを測定した。解析ソフト(EDAX/TSL社製OIM Data Analysis ver.7)を用いて各結晶粒の方位差の解析を行い、隣接するピクセル間の方位差が5°以上である境界を結晶粒界とみなして、めっき表面付近(幅11μm)のKAM値を求めた。The observation surface was mechanically polished using waterproof abrasive paper. Next, cross-sectional ion processing was performed using a cross-sectional ion processing device (IM-4000, Hitachi High-Tech Corporation). Then, using an EBSD detector (Hikari, TSL/EDAX Corporation) mounted on a scanning electron microscope (ULTRA55, Carl Zeiss Corporation), the EBSD pattern was measured in the observation surface in a range of 7 μm wide perpendicular to the plating surface and 30 μm wide parallel to the plating surface at a measurement interval of 0.1 μm at an electron beam acceleration voltage of 15 kV. The orientation difference of each crystal grain was analyzed using analysis software (OIM Data Analysis ver. 7, EDAX/TSL Corporation), and the boundary where the orientation difference between adjacent pixels is 5° or more was regarded as a crystal grain boundary, and the KAM value near the plating surface (
KAM値の算出の際、粗化めっき層表面の凹凸に伴い生じた銅めっき部ではない領域を測定範囲のデータから除去するために、本測定ではIQ値(Image Quality値)が600以下である測定点を除いた。IQ値はEBSDパターンの明瞭さを示す相対指標であるが、測定条件や検出器、物質、試料観察面の状態などによって大きく変化するため、走査型電子顕微鏡画像と対比しながら銅めっき部ではない範囲を除けているか確認して、IQ値を調整した。When calculating the KAM value, in order to remove non-copper plated areas resulting from the unevenness of the roughened plating layer surface from the data of the measurement range, measurement points with an IQ (Image Quality) value of 600 or less were excluded in this measurement. The IQ value is a relative index that indicates the clarity of the EBSD pattern, but it varies greatly depending on the measurement conditions, detector, material, and state of the sample observation surface, so the IQ value was adjusted by checking whether the non-copper plated areas had been removed while comparing with the scanning electron microscope image.
(粗化めっき層の最表面のSdr)
絶縁樹脂層に接合される前の金属板材の粗化めっき層の表面を、レーザ顕微鏡(オリンパス社製OLS5000)の100倍の対物レンズを用いて、129μm×129μmの測定範囲で観察した。サンプルの傾き、ノイズを除去する処理を行い、得られた画像を解析し、実施形態に記載された方法で金属板材の粗化めっき層の展開界面面積率Sdrを算出した。
(Sdr of the outermost surface of the roughened plating layer)
The surface of the roughened plating layer of the metal sheet before being bonded to the insulating resin layer was observed in a measurement range of 129 μm × 129 μm using a 100x objective lens of a laser microscope (OLS5000 manufactured by Olympus Corporation). The inclination of the sample and processing to remove noise were performed, and the obtained image was analyzed, and the developed interface area ratio Sdr of the roughened plating layer of the metal sheet was calculated by the method described in the embodiment.
(粗化めっき層の最表面のR)
絶縁回路基板の長手方向に平行な断面と、絶縁回路基板の長手方向に直行する方向の断面を用意した。耐水研磨紙を用いて断面の機械研磨を行った。次いで、断面イオン加工装置(日立ハイテク社製IM-4000)を用いて、断面イオン加工を行った。それぞれの断面を走査型電子顕微鏡を用いて1000倍の倍率で観察した。断面において、金属板材と絶縁樹脂層との接合界面における粗化めっき層の断面曲線を特定した。断面曲線の115μmの範囲を観察した。ここで、金属板材から独立し絶縁樹脂層中に存在する金属片の輪郭や絶縁樹脂層から独立し金属板材中に存在する樹脂片の輪郭は除去した。得られた画像を解析し、展開界面線長率Rを算出した。絶縁回路基板の長手方向に平行な断面における展開界面線長率Rと、絶縁回路基板の長手方向に直行する方向の断面における展開界面線長率Rの平均値を、粗化めっき層の展開界面線長率Rとした。
(R of the outermost surface of the roughened plating layer)
A cross section parallel to the longitudinal direction of the insulating circuit board and a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the insulating circuit board were prepared. The cross sections were mechanically polished using waterproof abrasive paper. Next, cross section ion processing was performed using a cross section ion processing device (IM-4000 manufactured by Hitachi High-Tech Corporation). Each cross section was observed at a magnification of 1000 times using a scanning electron microscope. In the cross section, the cross section curve of the roughened plating layer at the joint interface between the metal sheet material and the insulating resin layer was specified. A range of 115 μm of the cross section curve was observed. Here, the outline of the metal piece independent of the metal sheet material and present in the insulating resin layer and the outline of the resin piece independent of the insulating resin layer and present in the metal sheet material were removed. The obtained image was analyzed, and the developed interface line length ratio R was calculated. The average value of the developed interface line length ratio R in the cross section parallel to the longitudinal direction of the insulating circuit board and the developed interface line length ratio R in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the insulating circuit board was taken as the developed interface line length ratio R of the roughened plating layer.
(吸湿リフロー後の部分放電開始電圧と絶縁耐圧)
上述の絶縁回路基板を、恒温恒湿槽(温度85℃、湿度85%)に入れ、3日間保持した。その後、加熱炉内に装入し、290℃で10分間のリフロー処理を実施した。
リフロー処理後の絶縁回路基板において、回路層と絶縁樹脂層の部分放電開始電圧と絶縁破壊電圧(絶縁耐圧)について以下のようにして評価した。
図5に示すように、金属基板11をベース板61の上に載置し、回路層13の上にプローブ62を接触させ、部分放電を評価した。測定装置として、三菱電線株式会社製の部分放電試験機を用いた。なお、試験雰囲気として、3M社製フロリナート(tm)FC-770中で実施した。
そして、電圧を0.5kVごとのステッププロファイル(保持時間60秒)で昇圧し、平均放電電荷量が5pC以上となる電圧を部分放電開始電圧とした。また絶縁破壊が生じた電圧(漏れ電流が10mA以上となった電圧)を絶縁破壊電圧とした。評価結果を表2に示す。
小さな剥離のボイドによる部分的な放電が開始し、一定以上の電圧が加わると絶縁破壊になる。部分放電開始電圧は、小さな剥離に起因する値である。
(Partial discharge inception voltage and dielectric strength voltage after moisture absorption and reflow)
The insulating circuit board was placed in a thermo-hygrostat (temperature 85° C., humidity 85%) and held there for 3 days, and then placed in a heating furnace and subjected to a reflow treatment at 290° C. for 10 minutes.
In the insulating circuit board after the reflow treatment, the partial discharge inception voltage and the dielectric breakdown voltage (dielectric strength voltage) of the circuit layer and the insulating resin layer were evaluated as follows.
5, the
The voltage was increased in a step profile of 0.5 kV (holding time 60 seconds), and the voltage at which the average discharge charge was 5 pC or more was defined as the partial discharge inception voltage. The voltage at which dielectric breakdown occurred (the voltage at which the leakage current was 10 mA or more) was defined as the dielectric breakdown voltage. The evaluation results are shown in Table 2.
A partial discharge starts due to a small peeling void, and when a voltage above a certain level is applied, it leads to dielectric breakdown. The partial discharge inception voltage is the value caused by a small peeling.
比較例1~5においては、板本体の残留応力を低減せずに、直流電解めっき法を実施し、次いでPRパルス電解めっき法を実施し、粗化めっき層を形成した。その結果、粗化めっき層の最表層から厚さ方向に6μmの領域におけるKAM値が1.0以上である領域の面積率が10%を超えており、粗化めっき層の最表面のSdr(展開界面面積率)が20%未満となった。これらの比較例1~5においては、吸湿リフロー後の部分放電開始電圧が低く、回路層(金属基板)と絶縁樹脂層との密着性が不十分であった。In Comparative Examples 1 to 5, DC electrolytic plating was performed without reducing the residual stress in the plate body, and then PR pulse electrolytic plating was performed to form a roughened plating layer. As a result, the area ratio of the area in which the KAM value was 1.0 or more in the area 6 μm in the thickness direction from the outermost layer of the roughened plating layer exceeded 10%, and the Sdr (developed interface area ratio) of the outermost surface of the roughened plating layer was less than 20%. In these Comparative Examples 1 to 5, the partial discharge inception voltage after moisture absorption reflow was low, and the adhesion between the circuit layer (metal substrate) and the insulating resin layer was insufficient.
本発明例1~12においては、化学研磨によって板本体の残留応力を低減し、直流電解めっき法を実施し、次いでPRパルス電解めっき法を実施し、粗化めっき層を形成した。その結果、粗化めっき層の最表層から厚さ方向に6μmの領域におけるKAM値が1.0以上である領域の面積率が10%以下となり、粗化めっき層の最表面のSdr(展開界面面積率)が20%以上となった。これらの本発明例1~12においては、吸湿リフロー後の部分放電開始電圧が高く、回路層(金属基板)と絶縁樹脂層とが十分に密着していた。In Examples 1 to 12 of the present invention, the residual stress in the plate body was reduced by chemical polishing, DC electrolytic plating was performed, and then PR pulse electrolytic plating was performed to form a roughened plating layer. As a result, the area ratio of the area having a KAM value of 1.0 or more in a region 6 μm in the thickness direction from the outermost layer of the roughened plating layer was 10% or less, and the Sdr (developed interface area ratio) of the outermost surface of the roughened plating layer was 20% or more. In these Examples 1 to 12 of the present invention, the partial discharge inception voltage after moisture absorption reflow was high, and the circuit layer (metal substrate) and the insulating resin layer were sufficiently adhered to each other.
以上の実験結果から、本発明例によれば、積層した樹脂部材との密着性に優れる金属板材、この金属板材と樹脂部材とが積層された積層体、および、絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。From the above experimental results, it has been confirmed that the present invention can provide a metal plate material having excellent adhesion to a laminated resin member, a laminate in which this metal plate material is laminated with a resin member, and an insulated circuit board.
本実施形態の金属板材は、積層した樹脂部材との密着性に優れる。このため、本実施形態の金属板材と樹脂部材が積層された積層体や絶縁回路基板は、パワーモジュール、LEDモジュールおよび熱電モジュールに好適に適用される。The metal plate material of this embodiment has excellent adhesion to the laminated resin member. Therefore, the laminate and the insulating circuit board in which the metal plate material of this embodiment and the resin member are laminated are suitably applied to power modules, LED modules, and thermoelectric modules.
10 絶縁回路基板(積層体)
11 金属基板
12 絶縁樹脂層(樹脂部材)
13 回路層
30 金属板材
31 板本体
35 粗化めっき層
36 凸部
36a 拡幅部
10 Insulated circuit board (laminate)
13
Claims (6)
前記板本体は、厚さが0.05mm以上3mm以下の範囲内の圧延板とされており、
前記粗化めっき層には、前記板本体とは反対側に向けて突出する凸部が形成されており、
前記粗化めっき層の最表層から厚さ方向に6μmの領域において、KAM値が1.0以上である領域の面積率が10%以下とされており、
前記粗化めっき層の最表面のSdr(展開界面面積率)が20%以上であるか、または前記粗化めっき層の最表面のR(展開界面線長率)が40%以上であることを特徴とする金属板材。 The plate has a plate body and a roughening plating layer formed on the outermost surface of the plate body,
The plate body is a rolled plate having a thickness in the range of 0.05 mm or more and 3 mm or less,
The roughening plating layer has a convex portion protruding toward the opposite side to the plate body,
In a region of 6 μm from the outermost layer of the roughened plating layer in a thickness direction, the area ratio of a region having a KAM value of 1.0 or more is 10% or less,
A metal sheet material characterized in that the Sdr (developed interface area ratio) of the outermost surface of the roughened plating layer is 20% or more, or the R (developed interface line length ratio) of the outermost surface of the roughened plating layer is 40% or more.
前記樹脂部材と前記金属板材との接合界面においては、前記金属板材の前記凸部に前記樹脂部材が係合していることを特徴とする積層体。 A laminate in which a resin member is laminated on a plate surface of the metal plate material according to any one of claims 1 to 3,
A laminate, characterized in that, at a joint interface between the resin member and the metal plate, the resin member engages with the protrusion of the metal plate.
前記回路層は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の金属板材を、前記絶縁樹脂層の一方の面に接合することにより形成されており、
前記絶縁樹脂層と前記回路層との接合界面においては、前記金属板材の前記凸部に前記絶縁樹脂層が係合していることを特徴とする絶縁回路基板。 An insulating circuit board comprising an insulating resin layer and a circuit layer formed on one surface of the insulating resin layer,
The circuit layer is formed by bonding the metal plate material according to any one of claims 1 to 3 to one surface of the insulating resin layer,
2. An insulating circuit board, comprising: a first insulating resin layer and a second insulating resin layer, the first insulating resin layer being engaged with the protrusions of the metal plate at a bonding interface between the first insulating resin layer and the second insulating resin layer;
前記回路層及び前記金属基板のいずれか一方又は両方は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の金属板材を、前記絶縁樹脂層の面に接合することにより形成されており、
前記絶縁樹脂層と前記回路層との接合界面、及び前記絶縁樹脂層と前記金属基板との接合界面のうち、いずれか一方又は両方においては、前記金属板材の前記凸部に前記絶縁樹脂層が係合していることを特徴とする絶縁回路基板。 An insulating circuit board comprising an insulating resin layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating resin layer, and a metal substrate formed on the other surface of the insulating resin layer,
One or both of the circuit layer and the metal substrate are formed by bonding the metal plate material according to any one of claims 1 to 3 to a surface of the insulating resin layer,
An insulated circuit board, characterized in that the insulating resin layer engages with the convex portion of the metal plate material at either or both of the bonding interface between the insulating resin layer and the circuit layer and the bonding interface between the insulating resin layer and the metal plate.
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