JP2011040447A

JP2011040447A - 回路基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP2011040447A
Application number: JP2009184079A
Authority: JP
Inventors: Kenji Miyata; 建治宮田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: JP5469405B2

Abstract

【課題】異なる絶縁層を同一平面状に平滑に形成しノイズ対策と放熱性を両立させることは困難である。
【解決手段】金属製の基板１と、基板１の上に間欠的に形成された第一絶縁層２と、基板１の上であって第一絶縁層２が形成されていない部分に形成された第二絶縁層３と、第一絶縁層２と第二絶縁層３のそれぞれの上に形成された金属箔４を有し、第一絶縁層２の単位断面積当たりの気泡が０．１％以下であり、第二絶縁層３の単位断面積あたりの気泡が１０％以上８０％以下である回路基板である。第二絶縁層は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機フィラー、気泡で形成されているのが好ましい。硬化剤がフェノールノボラック樹脂であるのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、混成集積回路等に用いられる回路基板及びその製造方法に関する。

近年、高熱伝導度で且つ低誘電率な無機フィラーを樹脂中に混練分散した組成物を用い、安価で、信頼性に優れる金属ベース回路基板が開示されているが、本技術ではノイズ対策として十分な誘電率３．０以下は達成困難であった（特許文献１）。

特許文献２では、多層基板にて、内層回路をノイズシールドとして活用し、高放熱性と高絶縁性、高ノイズ特性を有する多層回路基板を提供できることが開示されているが、多層構造基板を作製する必要があって生産性が低いという課題があった。

特許文献３では、同一平面基板上で高熱伝導性を有する絶縁層と低誘電率性を有する絶縁層から構成される基板を提供できることが開示されているが、異なる絶縁層を同一平面上に平滑に形成することは困難で、製造方法も煩雑であるという課題があった。

特許文献４では、金属板上の任意な箇所に溝部を設け、溝部に低誘電率の絶縁層を充填させ、絶縁層厚みを局所的に厚くすること及び低誘電率絶縁層を充填することで静電容量を低下させ、放熱性と高周波対応可能な低誘電率を、同一基板上で達成された回路基板を提供できることが開示されている。しかし、この発明では、溝作製の寸法精度を出すのが困難で、且つ絶縁層を充填させることも困難であるという課題があった。

特開平７−３２０５３８号公報特開平７−３０２９７８号公報特開２０００−１５１０５０号公報特開２００５−２３６０１５号公報

本発明の回路基板は、金属製の基板の上に積層する絶縁層を二種類設け、一方の絶縁層の気泡を０．１％以下とし、他方の絶縁層の単位断面積あたりの気泡を１０％以上８０％以下とし、これにより隣接する回路同士の熱伝導を抑えるとともに、気泡を有する絶縁層が配置されている部分での基材と回路の間の比誘電率を低下させるという効果を有する。

他の発明である回路基板の製造方法は、上述の効果を有する回路基板を製造する方法である。

本発明は、金属製の基板と、基板の上に間欠的に形成された第一絶縁層と、基板の上であって第一絶縁層が形成されていない部分に形成された第二絶縁層と、第一絶縁層と第二絶縁層のそれぞれの上に形成された金属箔を有し、第一絶縁層の単位断面積当たりの気泡が０．１％以下であり、第二絶縁層の単位断面積あたりの気泡が１０％以上８０％以下である回路基板である。

第二絶縁層は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機フィラー、気泡で形成されているのが好ましい。また、硬化剤は、フェノールノボラック樹脂であるのが好ましい。

他の発明は、金属製の基板の上に第一絶縁層を間欠的に形成する第一絶縁層形成工程と、基板の上であって第一絶縁層が形成されていない部分に第二絶縁層を形成する第二絶縁層積層工程と、第一絶縁層の上に金属箔を積層する金属箔積層工程を有し、第二絶縁層積層工程が、第二絶縁層を積層する積層工程と、第二絶縁層を硬化させる硬化工程を有し、硬化工程の圧力が０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の真空ホットプレスである回路基板の製造方法である。

本発明を実施するための形態を、図１を参照しつつ説明する。
本発明は、金属製の基板１と、基板１の上に間欠的に形成された第一絶縁層２と、基板１の上であって第一絶縁層２が形成されていない部分に形成された第二絶縁層３と、第一絶縁層２と第二絶縁層３のそれぞれの上に形成された金属箔４を有し、第一絶縁層２の単位断面積当たりの気泡が０．１％以下であり、第二絶縁層３の単位断面積あたりの気泡が１０％以上８０％以下である回路基板である。

＜基板＞
本発明における基板１は、優れた寸法精度を維持すると共に発明としての回路基板が曲折したり歪んだりしないために採用されたものである。基板の素材は、例えば銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、錫、銀、チタニウム、金、マグネシウム、シリコン、これら金属の合金があり、好ましくは、銅又はアルミニウムが良い。これらの金属の供試形態としては、ロール状やシート状がある。基板の厚みは寸法制度維持を発揮させる範囲の厚み、例えば３５〜３０００μｍであるのが好ましい。

＜第一絶縁層＞
本発明における第一絶縁層２は、本発明の回路での電気を基板に伝導させないために設けられたものである。単位断面積当たりの気泡が０．１％以下としたのは、後述する第二絶縁層との対比をするために規定したものであり、絶縁層を形成する樹脂に空気を混入させないことが必要である。

第一絶縁層２の素材としては、合成樹脂、硬化剤、無機フィラーで形成した組成物を硬化させたものである。これら組成物を０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の圧力をかけて硬化させたものは、高電気絶縁性であると共に高熱伝導性を有し、更にアルミニウム、銅、それらの合金等の金属との接着性にも優れ、特に混成集積回路用の基板、回路基板の絶縁層として好適である。合成樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂がある。

エポキシ樹脂の場合、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物であれば良く、具体的には、ノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテルやその多量体であるエピビス型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、レゾルシン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、脂肪族エポキシ樹脂、シリコン変性エポキシ樹脂等がある。ノボラック型エポキシ樹脂としては、通常エポキシ当量１６０〜２５０、軟化点５０〜１３０℃のものが用いられ、ノボラック型エポキシ樹脂のうち、エポキシ当量１８０〜２１０、軟化点６０〜１１０℃のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂が好ましい。

硬化剤としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂があり、そのうち、フェノールノボラック樹脂が好ましい。フェノールノボラック樹脂のなかでも、平均分子量１５００以下のフェノールノボラック樹脂が好ましい。平均分子量が低いと軟化点が低温であるため、無機フィラーを硬化性樹脂中にブレンドしやすいためである。

無機フィラーは、絶縁層全体の熱伝導を向上させるためのものであり、具体的には、絶縁層として採用される合成樹脂よりも熱伝導性に優れた素材、より具体的には、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素等がある。無機フィラーの形状は球状、破砕状のいずれのものでも使用できる。絶縁層中の無機フィラーの配合割合は、絶縁層が有するべき特性に応じて変えることができ、絶縁層中２０〜８０体積％であるのが好ましく、さらに好ましくは、５０〜７０体積％である。

＜第二絶縁層＞
本発明における第二絶縁層３は、第一絶縁層２が形成されていない部分に形成され、断熱性及び低誘電率化のために形成されるものである。この断熱性及び比誘電率を得るためには、第三絶縁層を硬化させる際、０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の圧力下で行うことによって、樹脂組成物内部の気泡成長を促すことによって多くの気泡を含有した絶縁層を得ることができる。

本発明の絶縁層を形成する樹脂組成物は、その内部に１０〜８０体積％の気泡を含有させる。気泡がこの範囲であると、絶縁層の誘電率を低下させることができる。気泡含有量は、樹脂組成物の密度を測定することにより求めた。所望の含有量には、バブリング及び真空脱気処理にて制御を行う。この制御以外、第二絶縁層３の素材は、第一絶縁層２と同じものを採用できる。

＜金属箔＞
金属箔４は、回路を形成する素材であり、金属箔４の素材としては、例えば銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、錫、銀、チタニウム、金、マグネシウム、シリコン、これら金属の合金があり、好ましくは、銅又はアルミニウムが良い。金属箔は、ロール状に供給することができる厚みが必要であり、４〜３００μｍの厚みのものが好ましい。

他の発明は、金属製の基板１の上に第一絶縁層２を間欠的に形成する第一絶縁層形成工程と、基板１上であって第一絶縁層２が形成されていない部分に第二絶縁層３を形成する第二絶縁層積層工程と、第一絶縁層２上に金属箔４を積層する金属箔積層工程を有し、第二絶縁層積層工程が、第二絶縁層３を積層する積層工程と、第二絶縁層３を硬化させる硬化工程を有し、硬化工程の圧力が０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の真空ホットプレスである回路基板の製造方法である。

金属箔積層工程における第一絶縁層２及び第二絶縁層３と金属箔４との接合を、真空ホットプレスにすることによって、高い密着性もつ回路基板を得ることができる。

第二絶縁層を硬化させる硬化工程とは、上述のとおり、硬化工程の圧力が０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の真空ホットプレスである。圧力を０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満にするためには、真空ホットプレス機と圧力を受ける回路基板との間に緩衝材を用いる手段がある。

（実施例１）
本発明に係る実施例１について説明する。
実施例１の回路基板は、図１に示すように、金属製の基板１と、基板１の上に間欠的に形成された第一絶縁層２と、基板１の上であって第一絶縁層２が形成されていない部分に形成された第二絶縁層３と、第一絶縁層２と第二絶縁層３のそれぞれの上に形成された金属箔４を有し、第一絶縁層２の単位断面積当たりの気泡が０％であり、第二絶縁層３の単位断面積あたりの気泡８０％の回路基板である。

実施例１の回路基板の基板１は、厚み１．５ｍｍのアルミニウム板である。

実施例１の回路基板の第一絶縁層２を形成する樹脂は、ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン株式会社製、ＥＰ８２８）２０質量部、硬化剤としてのフェノールノボラック樹脂（ＤＩＣ株式会社製、ＴＤ−２１３１）９質量部、シランカップリング剤（東レ・ダウコーニング株式会社製、Ｚ−０６４０Ｎ）１質量部、硬化促進剤としてイミダゾール系硬化促進剤（四国化成工業株式会社製、ＴＢＺ）０．０５質量部及び無機フィラー８４質量部配合したものである。

実施例１の回路基板の第二絶縁層３を形成する樹脂は、第一絶縁層２と同様である。

実施例１の回路基板の金属箔４は、銅箔である。

実施例１の回路基板は、基材１としてのアルミニウム板上に、第一絶縁層２を形成する樹脂を、硬化後の厚みが１５０μｍとなるように塗布し、１００℃で０．１時間加熱して半硬化状態にした後、第一絶縁層２の上に厚さ７０μｍの金属箔４としての銅箔を積層し、更に上下面から第一絶縁層２を１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧して成形されたものである。この加圧は、真空ホットプレスで行った。真空ホットプレスでは真空ホットプレス機と圧力を受ける回路基板との間に緩衝材を用いて圧力を制御した。圧力をかけたくない第二絶縁層３と接触する緩衝材を予め切り欠いて、圧力を与えないようにした。

得られた回路基板の評価を表１に示す。

＜気泡率＞
第一絶縁層２と第二絶縁層３の断面写真を画像処理にて気泡部と樹脂部の二値化を行い、気泡率を求めた。

＜絶縁層の比誘電率＞
実施例１の回路基板にある金属箔４としての銅箔を直径２０ｍｍの円形部分に形成した試料を用い、温度２５℃、周波数１ＭＨｚの条件下にて、ＪＩＳＣ６４８１に基づき測定を実施し、静電容量（Ｘ；Ｆ）を求めた。測定器には、ＬＣＲメータ（横河・ヒューレット・パッカード社（株）製ＨＰ４２８４）を用いた。
比誘電率（Ｅ）は、静電容量（Ｘ；Ｆ）と絶縁層の厚み（Ｙ；ｍ）と電極板の面積（Ｚ；ｍ２）と真空の誘電率（８．８５×１０−１２；Ｆ／ｍ）から、Ｅ＝Ｘ・Ｙ／（Ｚ・８．８５×１０−１２）の式を用いて、算出した。
比誘電率は４．０以下が好ましい。

＜引剥強度＞
実施例１の回路基板にある金属箔４としての銅箔を第一絶縁層２の上、第二絶縁層３の上のそれぞれに幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍで形成し、この銅箔の端部を回路全体に対して９０度の角度まで剥離し、この銅箔の端部を５０ｍｍ／ｍｉｎの引っ張り速度で剥離したときの引張強度であり、その他の条件はＪＩＳＣ６４８１に基づいた。測定機としてはオートグラフ（株式会社島津製作所製ＡＧ−５００）を用いた。
剥離強度は０．７ｋｇｆ／ｃｍ以上が好ましい。

＜熱伝導率＞
熱伝導率（Ｈ；Ｗ／ｍＫ）は、熱拡散率（Ａ：ｍ２／ｓｅｃ）と比重（Ｂ：ｋｇ／ｍ３）、比熱容量（Ｃ：Ｊ／ｋｇ・Ｋ）から、Ｈ＝Ａ×Ｂ×Ｃとして、算出した。熱拡散率は、測定用試料として第一絶縁層２と第二絶縁層３を含む試験片を幅１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み０．５ｍｍに加工し、レーザーフラッシュ法により求めた。測定装置はキセノンフラッシュアナライザ（ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＬＦＡ４４７ＮａｎｏＦｌａｓｈ）を用いた。比重はアルキメデス法を用いて求めた。比熱容量は、ＤＳＣ（リガク社製ＴｈｅｒｍｏＰｌｕｓＥｖｏＤＳＣ８２３０）を用いて求めた。
断熱層となる第二絶縁層部の熱伝導率は０．５Ｗ／ｍＫ以下が好ましい。

＜断熱効果−温度差＞
測定用試料として第一絶縁層２と第二絶縁層３を含む試験片を５０ｍｍ×５０ｍｍに切断し、第一絶縁層部及び第二絶縁層部それぞれに１０ｍｍ×１５ｍｍの銅箔を、その銅箔間隔が１０ｍｍとなる様に配置した。
第一絶縁層部上の銅箔にＴＯ−２２０型トランジスターを半田付けし、断熱板上に固定した。
断熱効果（℃）は、ＴＯ−２２０型トランジスターに通電して発熱させ、ＴＯ−２２０型トランジスター表面の温度（Ｘ１；℃）から第二絶縁層部上の銅箔の温度（Ｘ２；℃）からを引いた温度である。温度は赤外線サーモグラフィー（日本アビオニクス株式会社製ＴＶＳ−５００ＥＸ）を用いて求めた。
断熱効果は、１５℃以上が好ましい。

（実施例２、３及び４）
実施例２、３及び４は、第二絶縁層の気泡率を表１に示す気泡率とした以外は実施例１と同じ回路基板である。いずれも本発明の効果を発揮していた。

（実施例５、６）
実施例５、６は、第一絶縁層への圧力を表１に示す値にしたものである。いずれも良好であった。

（実施例７）
表には示さなかったが、実施例１のエポキシ樹脂をポリイミド樹脂（ＤＩＣ株式会社製、ユニディックＶ８００３）にした実施例５について、説明する。実施例５は、比誘電率１．２、熱伝導率０．３Ｗ／ｍＫ、断熱効果１９℃であり、実施例１と同様な効果を得た。

（実施例８）
表には示さなかったが、硬化剤を、実施例１のフェノールノボラックからジアミノジフェニルメタン（エアープロダクツジャパン株式会社製、ＡＭＩＣＵＲＥＤＡＭ）にした実施例6について、説明する。実施例６は、比誘電率１．１、熱伝導率０．３Ｗ／ｍＫ、断熱効果２１℃であり、実施例１と同様な効果を得た。

（比較例１）
比較例１は、第二絶縁層の気泡率を９０％とした以外は実施例１と同じ回路基板である。
気泡率９０％では、引剥強度試験の際、界面での剥離が生じた。

（比較例２）
比較例２は、第二絶縁層の気泡率を５％とした以外は実施例１と同じ回路基板である。
比較例２は、（比誘電率、熱伝導率、断熱効果）が悪かった。

（比較例３）
比較例３は、図２に示すように、第二絶縁層の気泡率を０％（第一絶縁層のみ）とした以外は実施例１と同じ回路基板である。
比較例３は、（比誘電率、熱伝導率、断熱効果）が悪かった。

（比較例４、５）
表１に示す比較例４、５は、第二絶縁層への圧力を表１に示す値にしたものである。いずれも（比誘電率、熱伝導率、断熱効果）が悪かった。

図１は本発明の実施例及び比較例１、２に係る回路基板の縦断面を説明する概略図。図２は本発明の比較例３に係る回路基板の縦断面を説明する概略図。

１基板
２第一絶縁層
３第二絶縁層
４金属箔

Claims

金属製の基板と、基板の上に間欠的に形成された第一絶縁層と、基板の上であって第一絶縁層が形成されていない部分に形成された第二絶縁層と、第一絶縁層と第二絶縁層のそれぞれの上に形成された金属箔を有し、第一絶縁層の単位断面積当たりの気泡が０．１％以下であり、第二絶縁層の単位断面積あたりの気泡が１０％以上８０％以下である回路基板。
第二絶縁層が、エポキシ樹脂、硬化剤、無機フィラー、気泡で形成されている請求項１記載の回路基板。
第二絶縁層での硬化剤がフェノールノボラック樹脂である請求項２記載の回路基板。
金属製の基板の上に第一絶縁層を間欠的に形成する第一絶縁層形成工程と、基板の上であって第一絶縁層が形成されていない部分に第二絶縁層を形成する第二絶縁層積層工程と、第一絶縁層の上に金属箔を積層する金属箔積層工程を有し、第二絶縁層積層工程が、第二絶縁層を積層する積層工程と、第二絶縁層を硬化させる硬化工程を有し、硬化工程の圧力が０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の真空ホットプレスである回路基板の製造方法。