JP7729158B2

JP7729158B2 - 金属ベース基板

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Publication number: JP7729158B2
Application number: JP2021164296A
Authority: JP
Inventors: 史朗石川; 慎太郎原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2021-10-05
Filing date: 2021-10-05
Publication date: 2025-08-26
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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。金属ベース基板の回路層の上にはんだを介して電子部品を実装したモジュールでは、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。このため、金属ベース基板の絶縁層は、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。

金属ベース基板としては、例えば、金属基板の厚みが１～５ｍｍ、回路層の厚みが１００～５００μｍであり、絶縁層を２層以上の絶縁性樹脂層からなり、その２層以上の絶縁性樹脂層は、少なくとも熱可塑性絶縁性樹脂を含む層と非熱可塑性絶縁性樹脂を含む層とを有し、２層以上の絶縁性樹脂層のうち少なくとも一層の絶縁性樹脂層は、絶縁性樹脂層を構成する絶縁性樹脂よりも熱伝導率が高いフィラーを含む構成のものが知られている（特許文献１）。

特開２０１５－４３４１７号公報

金属ベース基板の開発においては、放熱性を重要視するため、ベース金属の厚みを大きくすることで放熱性を上げるということが行われてきた。しかしながら、金属ベース基板の金属基板は熱膨張係数が高く、熱によって膨張・収縮して体積変化しやすい。一方、電子部品はセラミックを基体としたものが多く、熱膨張係数が低い。このため、金属ベース基板の回路層の上にはんだを介して電子部品を実装したモジュールでは、電子部品のオン／オフや外部環境の温度変化によって、はんだに付与される応力が変動することにより、はんだにクラックが発生するなど信頼性が低下することがある。はんだに付与される応力の変動を軽減するために、絶縁層の膜厚を厚くして、金属基板の体積変化を絶縁層に吸収させることは有効である。しかしながら、絶縁層の膜厚を厚くすると、電子部品にて発生した熱を、絶縁層を介して金属基板に伝達しにくくなり、金属ベース基板の放熱性が低下するおそれがある。つまり金属ベース基板の放熱性と信頼性を十分に両立させることは難しい。

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、その目的は、放熱性と信頼性とに優れる金属ベース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、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、前記金属基板の板厚Ｔ_Ｍが０．５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の範囲内にあり、前記金属基板の板厚Ｔ_Ｍ（単位：ｍｍ）の３乗値と、前記金属基板の２５℃における弾性率Ｅ_Ｍ（単位：ＧＰａ）との積Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍが１０以上１０００以下の範囲内にあって、前記絶縁層を構成する各層の１００℃における弾性率Ｅ_Ｒ（単位：ＧＰａ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒの合計が３０以上１０００以下の範囲内にあり、前記絶縁層を構成する各層の熱伝導度Ｃ_Ｒ（単位：Ｗ/ｍＫ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒの合計が２以上４０以下の範囲内にあることを特徴としている。

上記のような構成とされた金属ベース基板によれば、金属基板の板厚Ｔ_Ｍが０．５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の範囲内にあるので、金属ベース基板上にはんだによって電子部品を接合し、電子部品が温度変化した場合であっても、はんだにかかる熱応力を抑えることができる。また、板厚Ｔ_Ｍ（単位：ｍｍ）の３乗値と、金属基板の２５℃における弾性率Ｅ_Ｍ（単位：ＧＰａ）との積Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍが１０以上１０００以下の範囲内にあるので、電子部品実装後の金属ベース基板の反りを抑えることができる。また、絶縁層を構成する各層の１００℃における弾性率Ｅ_Ｒ（単位：ＧＰａ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒの合計が３０以上１０００以下の範囲内にあるので、回路層の応力の緩和能力が高くなり、回路層の上にはんだを介して電子部品を実装した場合は、はんだに付与される応力を低減させることができる。さらに、絶縁層を構成する各層の熱伝導度Ｃ_Ｒ（単位：Ｗ/ｍＫ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒの合計が２以上４０以下の範囲内にあるので、回路層の上にはんだを介して電子部品を実装した場合は、電子部品にて発生した熱を金属基板に効率よく伝えることができる。したがって、上記のような構成とされた金属ベース基板は放熱性と信頼性とに優れる。

ここで、本発明の金属ベース基板においては、前記金属基板が、アルミニウム、銅および鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属を含む構成であってもよい。
この場合、金属基板の熱伝導性と耐熱性とが高いので、金属ベース基板の放熱性と信頼性とがより向上する。

また、本発明の金属ベース基板においては、前記絶縁層が単層体であって、単層体は、フィラーの含有率が３０体積％以上８５体積％以下の範囲内にある樹脂組成物である構成であってもよい。あるいは、前記絶縁層が金属層の上に形成された第１絶縁層と前記第１絶縁層の上に積層された第２絶縁層とを有する２層の積層体であって、前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の一方の層は、フィラーの含有率が５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にある樹脂組成物の層であって、他方の層は、樹脂もしくはフィラーの含有率が１体積％以下の樹脂組成物の層である構成であってもよい。
この場合、絶縁層の熱伝導性と応力の緩和能力とがより高くなるので、金属ベース基板の放熱性と信頼性とがさらに向上する。

また、本発明の金属ベース基板においては、前記絶縁層の膜厚が１００μｍ以下である構成であってもよい。
この場合、絶縁層の膜厚が薄いので、回路層の上にはんだを介して電子部品を実装したときは、電子部品にて発生した熱を金属基板により効率よく伝えることができる。

また、本発明の金属ベース基板においては、前記回路層の膜厚が８０μｍ以下である構成であってもよい。
この場合、回路層の膜厚が薄いので、回路層の上にはんだを介して電子部品を実装したときは、回路層からはんだに付与される熱応力が低減するので、金属ベース基板の信頼性がさらに向上する。

本発明によれば、放熱性と信頼性とに優れる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係る金属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が接続されていて、モジュールが形成されている。

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、板厚Ｔ_Ｍが０．５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の範囲内にある。板厚Ｔ_Ｍが０．５ｍｍ以上であることによって、金属基板２０の強度が高くなるので、熱による反りなどの変形を抑えることができる。また、板厚Ｔ_Ｍが１．１ｍｍ以下であることによって、金属基板２０の熱による体積変化量が小さくなる。金属基板２０の熱による変形を抑える観点から板厚Ｔ_Ｍは０．８ｍｍ以上であることが好ましい。金属基板２０の熱による体積変化量を小さくする観点から、板厚Ｔ_Ｍは１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

金属基板２０の板厚Ｔ_Ｍ（単位：ｍｍ）の３乗値と、金属基板２０の２５℃における弾性率Ｅ_Ｍ（単位：ＧＰａ）との積Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍが１０以上１０００以下の範囲内にある。Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍが１０以上であることによって、金属基板２０の熱による反りなどの変形を抑えることができる。また、Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍが１０００以下であることによって、金属基板２０が厚くなりすぎない。Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍは３０以上であることが好ましく、３００以下であることが好ましい。金属基板２０の２５℃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は、銅基板、アルミニウム基板または鉄基板であることが好ましい。銅基板は、銅または銅合金からなる。銅合金は構成元素のうち銅が最も多く含まれる合金である。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。アルミニウム合金は構成元素のうちアルミニウムが最も多く含まれる合金である。鉄基板は、鉄もしくは鉄合金からなる。鉄合金は構成元素のうち鉄が最も多く含まれる合金である。鉄合金は、炭素鋼を含む。

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。また、絶縁層３０は、電子部品６０にて発生した熱を金属基板２０に伝える伝熱機能と、熱による金属基板２０の体積変化を吸収し、はんだ５０に付与される応力を緩和する応力緩和機能を有する。
絶縁層３０は、１００℃における弾性率Ｅ_Ｒ（単位：ＧＰａ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒが３０以上１０００以下の範囲内にある。Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒが１０００以下であることによって、絶縁層３０の応力緩和機能が向上し、はんだ５０に付与される応力を低減させることができる。Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒは、３０以上であることが好ましく、１００以上であることがさらに好ましい。また、Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒは、３００以下であることが好ましく、２００以下であることが特に好ましい。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。

また、絶縁層３０は、熱伝導度Ｃ_Ｒ（単位：Ｗ/ｍＫ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒが２以上４０以下の範囲内にある。Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒが２以上であることによって、絶縁層３０の膜厚が薄くなりすぎず、絶縁性が担保される。また、Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒが４０以下であることによって、絶縁層３０の伝熱機能が向上し、電子部品６０にて発生した熱を金属基板２０に効率よく伝えることができる。Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒは、３以上であることが好ましく、５以上であることがさらに好ましい。また、Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒは、３０以下であることが好ましく、２０以下であることが特に好ましい。絶縁層３０の熱伝導度は、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、レーザーフラッシュ法によって熱伝導度を測定する。

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なる単層体とされている。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、熱伝導性を向上させることができる。

絶縁樹脂３１としては、例えば、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用いることができる。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としては、例えば、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。無機物フィラー３２の平均粒子径は、０．１μｍ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、３０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３０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の絶縁性が向上する。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の含有量は、５０体積％以上であることがさらに好ましく、８０体積％以下であることが特に好ましい。

絶縁層３０の膜厚は１００μｍ以下であることが好ましい。絶縁層３０の膜厚が１００μｍ以下であることによって、絶縁層３０の伝熱機能が向上し、電子部品６０にて発生した熱を金属基板２０に効率よく伝えることができる。絶縁層３０の膜厚は、絶縁耐圧が実用的な範囲であれば特に制限はないが、３０μｍ以上であることが好ましい。絶縁層３０の膜厚が３０μｍ以上であることによって、金属基板２０と回路層４０とを確実に絶縁することができ、絶縁層３０の応力緩和機能が向上し、はんだ５０に付与される応力を低減させることができる。絶縁層３０の膜厚は、伝熱機能向上の観点からは、７０μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることが特に好ましい。また、絶縁層３０の膜厚は、絶縁性向上の観点からは、４０μｍ以上であることが特に好ましい。

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の膜厚は、２μｍ以上２００μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

回路層４０の膜厚は８０μｍ以下であることが特に好ましい。回路層４０の膜厚が８０μｍ以下であることによって、回路層４０で発生する熱応力が少なくなり、はんだ５０に付与される熱応力が低減する。また、回路層４０の膜厚は、熱応力を低減させる観点からは、７５μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることが特に好ましい。回路層４０の膜厚は、利用する際の電流に対して十分に低抵抗であれば特に制限はないが、２μｍ以上であることが好ましい。回路層４０の膜厚が２μｍ以上であることによって、回路層４０の電気抵抗が低くなり、モジュールの内部抵抗を低減させることができる。回路層４０の膜厚は、電気抵抗を小さくするという観点からは、５μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることが特に好ましい。

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。

はんだ５０としては、例えば、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系およびＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系などのはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）を用いることができる。

本実施形態の金属ベース基板１０は、例えば、絶縁層形成工程と、回路層圧着工程と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、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、金属基板２０の板厚Ｔ_Ｍが０．５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の範囲内にあるので、金属基板２０の熱による形状の変化を抑えることができ、かつ体積変化量を小さくできる。また、板厚Ｔ_Ｍ（単位：ｍｍ）の３乗値と、金属基板の２５℃における弾性率Ｅ_Ｍ（単位：ＧＰａ）との積Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍが１０以上１０００以下の範囲内にあるので、金属基板２０の熱による変形をより抑えることができる。また、絶縁層３０の１００℃における弾性率Ｅ_Ｒ（単位：ＧＰａ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒが３０以上１０００以下の範囲内にあるので、はんだ５０に付与される応力を低減させることができる。さらに、絶縁層３０の熱伝導度Ｃ_Ｒ（単位：Ｗ/ｍＫ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒの合計が２以上４０以下の範囲内にあるので、電子部品６０にて発生した熱を金属基板２０に効率よく伝えることができる。したがって、本実施形態の金属ベース基板１０は放熱性と信頼性とに優れる。

本実施形態の金属ベース基板１０において、金属基板２０が、アルミニウム、銅および鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属を含む場合は、金属基板２０の熱伝導性と耐熱性とが高くなるので、金属ベース基板１０の放熱性と信頼性とがより向上する。

本実施形態の金属ベース基板１０において、絶縁層３０のフィラーの含有率が３０体積％以上８５体積％以下の範囲内にある樹脂組成物である場合は、絶縁層３０の熱伝導性と応力の緩和能力とが高くなるので、金属ベース基板１０の放熱性と信頼性とがさらに向上する。

本実施形態の金属ベース基板１０において、絶縁層３０の膜厚が１００μｍ以下と薄い場合は、電子部品６０にて発生した熱を金属基板２０により効率よく伝えることができる。
本実施形態の金属ベース基板１０において、回路層４０の膜厚が８０μｍ以下と薄い場合は、回路層４０からはんだ５０に付与される熱応力が低減するので、金属ベース基板１０の信頼性がさらに向上する。

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。
例えば、本実施形態においては、絶縁層３０は単層体であるが、絶縁層３０は積層体であってもよい。絶縁層３０が積層体である場合、Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒは絶縁層３０を構成する各層の１００℃における弾性率Ｅ_Ｒ（単位：ＧＰａ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒの合計である。例えば、絶縁層３０が金属基板２０の上に形成された第１絶縁層と第１絶縁層の上に積層された第２絶縁層とを有する２層の積層体である場合、絶縁層３０のＴ_Ｒ／Ｅ_Ｒは、第１絶縁層の１００℃における弾性率Ｅ_Ｒ１（単位：ＧＰａ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ１（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ１／Ｅ_Ｒ１と、第２絶縁層の１００℃における弾性率Ｅ_Ｒ２（単位：ＧＰａ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ２（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ２／Ｅ_Ｒ２との合計値である。また、絶縁層３０が積層体である場合、Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒは絶縁層３０を構成する各層の熱伝導度Ｃ_Ｒ（単位：Ｗ/ｍＫ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒの合計である。例えば、絶縁層３０が金属基板２０側の第１絶縁層と回路層４０側の第２絶縁層とからなる２層の積層体である場合、絶縁層３０のＴ_Ｒ／Ｃ_Ｒは、第１絶縁層の熱伝導度Ｃ_Ｒ１（単位：Ｗ/ｍＫ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ１（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ１／Ｃ_Ｒ１と、第２絶縁層の熱伝導度Ｃ_Ｒ２（単位：Ｗ/ｍＫ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ２（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ２／Ｃ_Ｒ２との合計値である。

絶縁層３０が金属基板２０側の上に形成された第１絶縁層と第１絶縁層の上に積層された第２絶縁層とを有する２層の積層体である場合、第１絶縁層および第２絶縁層の一方の層は、フィラーの含有率が５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にある樹脂組成物の層であって、他方の層は、フィラーの含有率が０体積％以上１体積％以下の樹脂組成物の層であることが好ましい。この場合、絶縁層３０の熱伝導性と応力の緩和能力とが高くなるので、金属ベース基板１０の放熱性と信頼性とがさらに向上する。

以下、本発明を実施例により説明する。なお、本実施例において、金属の弾性率は、２５℃における弾性率、樹脂の弾性率は、１００℃における弾性率を意味する。

［本発明例１］
（アルミナ粒子分散ポリイミド溶液の調製）
ポリイミド樹脂Ａ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。ポリイミド樹脂Ａはアルミナとの混合物の１００℃における弾性率が０．２７ＧＰａとなるものを選んだ。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６０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。

（金属ベース基板の作製）
金属基板として、板厚Ｔ_Ｍが０．７ｍｍで、弾性率Ｅ_Ｍが７４ＧＰａのアルミニウム基板（縦：３０ｍｍ、横：２０ｍｍ）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膜厚Ｔ_Ｒが３０μｍの絶縁層を形成して、絶縁層付きアルミニウム基板を得た。

得られた絶縁層付きアルミニウム基板の絶縁層の上に、回路層として銅箔（厚み：７０μｍ、弾性率：１１８ＧＰａ）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金属ベース基板を作製した。

［本発明例２～３］
金属基板として、板厚Ｔ_Ｍが下記の表１に記載の板厚であるアルミニウム基板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。

［本発明例４～５］
絶縁層の膜厚Ｔ_Ｒを下記の表１に記載の膜厚としたこと以外は、本発明例３と同様にして金属ベース基板を作製した。

［本発明例６］
アルミナ粒子分散ポリイミド溶液の調製において、ポリイミド樹脂Ａをポリイミド樹脂Ｂに変えたこと以外は、本発明例３と同様にして金属ベース基板を作製した。ポリイミド樹脂Ｂはアルミナとの混合物の１００℃における弾性率が０．３２ＧＰａとなるものを選んだ。

［本発明例７］
アルミナ粒子分散ポリイミド溶液の調製において、ポリイミド樹脂Ａをポリイミド樹脂Ｃに変えたこと以外は、本発明例３と同様にして金属ベース基板を作製した。ポリイミド樹脂Ｃはアルミナとの混合物の１００℃における弾性率が１．０１ＧＰａとなるものを選んだ。

［本発明例８～１０］
金属基板として、板厚Ｔ_Ｍが下記の表１に記載の板厚で、弾性率Ｅ_Ｍが下記の表１に記載の弾性率である銅基板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。

［本発明例１１］
金属基板として、板厚Ｔ_Ｍが下記の表１に記載の板厚で、弾性率Ｅ_Ｍが下記の表１に記載の弾性率である炭素鋼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。

［比較例１～８］
金属基板として、材質、板厚Ｔ_Ｍ、弾性率Ｅ_Ｍが下記の表１に記載のものを用い、絶縁層の膜厚Ｔ_Ｒを下記の表１に記載の膜厚としたこと以外は、本発明例１と同様にして金属ベース基板を作製した。

［評価］
（金属基板のＴ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍ）
金属基板の板厚Ｔ_Ｍ（単位：ｍｍ）の３乗値と、金属基板の弾性率Ｅ_Ｍ（単位：ＧＰａ）との積Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍを算出した。その結果を、下記の表１に示す。

（絶縁層のＴ_Ｒ／Ｅ_Ｒ及びＴ_Ｒ／Ｃ_Ｒ）
絶縁層の弾性率Ｅ_Ｒを上述の方法により測定し、弾性率Ｅ_Ｒ（単位：ＧＰａ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒを算出した。絶縁層の熱伝導度Ｃ_Ｒを上述の方法により測定し、熱伝導度Ｃ_Ｒ（単位：Ｗ/ｍＫ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒを算出した。その結果を、下記の表１に示す。

（熱抵抗）
銅箔を張り付けた金属ベース基板の銅箔上に、放熱シート（ＢＦＧ－３０Ａ：デンカ株式会社製）を介して発熱体（ＴＯ－３Ｐ）を載置した。発熱体を載置した金属ベース基板を、発熱体の上部からトルク４０Ｎｃｍのねじによって積層方向に加圧した。そして、Ｔ３Ｓｔｅｒ（シーメンス社製）を用いて、発熱体から銅基板までの熱抵抗を測定した。発熱体の発熱条件は１０Ａ、３０秒とし、熱抵抗の測定条件は、０．０１Ａ、測定時間６０秒とした。同様の測定を、絶縁膜を形成していない銅基板単体に対して行い、その熱抵抗を金属ベース基板の測定値から減じた値を、熱抵抗とした。

（耐クラック率）
金属ベース基板を縦５０ｍｍ×横５０ｍｍのサイズに切断した。切断した金属ベース基板の銅箔上に、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕはんだを塗布して、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ×厚み１００μｍのはんだ層を形成し、そのはんだ層の上に、２５ｍｍ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－３０℃×３０分間～１０５℃×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、耐クラック率とした。耐クラック率が高いことは、クラックが発生しにくいこと、すなわち信頼性が高いことを意味する。
耐クラック率（％）＝｛（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

（反り）
耐クラック率の測定後のサンプルの反りを隙間ゲージによって測定した。サンプルを平板上に配置して、平板とサンプルの端部の隙間を反りとして計測した。最も大きな反りが５０μｍ以下であったものを〇とし、反りが５０μｍより大きく７０μｍ以下であったものを△とし、反りが７０μｍより大きいものを×とした。

表１の結果から、Ｔ_Ｍ、Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍ、Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒ及びＴ_Ｒ／Ｃ_Ｒの全てが本発明の範囲内にある本発明例１～１１で得られた金属ベース基板は、熱抵抗、耐クラック率、反りのいずれも優れていた。特に、Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍが３０以上の本発明例２～７、９～１１で得られた金属ベース基板は、反りがより向上した。また、Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒが１００以上の本発明例１～５、８～１１で得られた金属ベース基板は、耐クラック率がより向上した。また、Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒが３０以下の本発明例１～４、６～１１で得られた金属ベース基板は、熱抵抗がより低くなった。

これに対して、Ｔ_Ｍ ^３×Ｔ_Ｍが本発明の範囲よりも低い比較例１で得られた金属ベース基板およびＴ_Ｍが本発明の範囲よりも薄く、Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍが本発明の範囲よりも低い比較例８で得られた金属ベース基板は、反りが大きくなった。また、Ｔ_Ｍが本発明の範囲よりも大きい比較例２～６で得られた金属ベース基板は、耐クラック率が低下した。また、Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒが本発明の範囲よりも大きい比較例５～７で得られた金属ベース基板は、熱抵抗が大きくなった。

［本発明例１２］
（アルミナ粒子分散ポリイミド溶液の調製）
ポリイミド樹脂Ａをポリイミド樹脂Ｄに変えたこと以外は、本発明例１と同様にしてアルミナ粒子分散ポリイミド溶液を調製した。なお、ポリイミド樹脂Ｄはアルミナとの混合物の１００℃における弾性率が２．１５ＧＰａとなるものを選んだ。

（ポリイミド樹脂溶液の調製）
１００℃における弾性率が０．０１ＧＰａ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。

（金属ベース基板の作製）
金属基板として、板厚Ｔ_Ｍが１．０ｍｍで、弾性率Ｅ_Ｍが７４ＧＰａのアルミニウム基板（縦：３０ｍｍ、横：２０ｍｍ）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膜厚Ｔ_Ｒ１が１０μｍの第１絶縁層を形成して、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膜厚Ｔ_Ｒ２が１．０μｍの第２絶縁層を形成した。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基板を得た。

得られた絶縁層付きアルミニウム基板の絶縁層の上に、本発明例１と同様に回路層として銅箔を圧着した。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金属ベース基板を作製した。

［比較例９］
第１絶縁層の膜厚Ｔ_Ｒ１を３０μｍとし、第２絶縁層を形成しなかったこと以外は、本発明例１２と同様にして金属ベース基板を作製した。

［評価］
金属基板のＴ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍ、絶縁層のＴ_Ｒ／Ｅ_Ｒ（＝Ｔ_Ｒ１／Ｅ_Ｒ１＋Ｔ_Ｒ２／Ｅ_Ｒ２）及びＴ_Ｒ／Ｃ_Ｒ（＝Ｔ_Ｒ１／Ｃ_Ｒ１＋Ｔ_Ｒ２／Ｃ_Ｒ２）を上記の方法により算出した。また熱抵抗、耐クラック率、反りを上記の方法により測定した。その結果を下記の表２に示す。

表１の結果から、Ｔ_Ｍ、Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍ、Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒ及びＴ_Ｒ／Ｃ_Ｒの全てが本発明の範囲内にある本発明例１２で得られた金属ベース基板は、熱抵抗、耐クラック率、反りのいずれも優れていた。これに対して、Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒが本発明の範囲よりも低い比較例９で得られた金属ベース基板は、耐クラック率が低下した。また、本発明例１２と比較例９の結果から、絶縁層を第１絶縁層と第２絶縁層とを組み合わせた積層体とすることによって、単層体の場合と比較して膜厚を薄くしても、熱抵抗、耐クラック率および反りに優れる金属ベース基板を得ることが可能となることがわかる。

１０金属ベース基板
２０金属基板
３０絶縁層
３１絶縁樹脂
３２無機物フィラー
４０回路層
５０はんだ
６０電子部品
６１電極端子

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、
前記金属基板の板厚Ｔ_Ｍが０．５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の範囲内にあり、
前記金属基板の板厚Ｔ_Ｍ（単位：ｍｍ）の３乗値と、前記金属基板の２５℃における弾性率Ｅ_Ｍ（単位：ＧＰａ）との積Ｔ_Ｍ ^３×Ｅ_Ｍが１０以上１０００以下の範囲内にあって、
前記絶縁層を構成する各層の１００℃における弾性率Ｅ_Ｒ（単位：ＧＰａ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｅ_Ｒの合計が３０以上１０００以下の範囲内にあり、
前記絶縁層を構成する各層の熱伝導度Ｃ_Ｒ（単位：Ｗ/ｍＫ）に対する膜厚Ｔ_Ｒ（単位：μｍ）の比Ｔ_Ｒ／Ｃ_Ｒの合計が２以上４０以下の範囲内にあることを特徴とする金属ベース基板。
前記金属基板が、アルミニウム、銅、鉄からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属を含む請求項１に記載の金属ベース基板。
前記絶縁層が単層体または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。
前記絶縁層が単層体であって、前記単層体は、フィラーの含有率が３０体積％以上８５体積％以下の範囲内にある樹脂組成物である請求項３に記載の金属ベース基板。
前記絶縁層が金属層の上に形成された第１絶縁層と前記第１絶縁層の上に積層された第２絶縁層とを有する積層体であって、前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の一方の層は、フィラーの含有率が５０体積％以上８５体積％以下の範囲内にある樹脂組成物の層であって、他方の層は、樹脂もしくはフィラーの含有率が１体積％以下の樹脂組成物の層である請求項３に記載の金属ベース基板。
前記絶縁層の膜厚が１００μｍ以下である請求項１～５のいずれか１項に記載の金属ベース基板。
前記回路層の膜厚が８０μｍ以下である請求項１～６のいずれか１項に記載の金属ベース基板。