JP2013254921A - 回路基板及び電子部品搭載基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁層にクラックが発生することを抑制することが可能な高信頼性の回路基板。
【解決手段】金属基板と、上記金属基板上に形成された絶縁層と、上記絶縁層上に形成された導電回路層とを有する金属ベース回路基板であって、上記絶縁層は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機フィラーを混合して得られるエポキシ樹脂組成物から形成され、上記導電回路層は、打ち抜き加工によって形成され、且つ打ち抜き加工時の上面が絶縁層側に配置される、金属ベース回路基板を用いる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、絶縁層にクラックが発生することを抑制することが可能な高信頼性の回路基板に関する。

従来、金属板上に無機フィラーを充填したエポキシ樹脂等からなる絶縁層を設け、その上に導電回路層を配設した金属ベース回路基板が、熱放散性に優れることから高発熱性電子部品を実装する回路基板として用いられている（例えば、特許文献１〜３）。
特許文献１の回路基板では、エポキシ樹脂を主体とする樹脂、硬化剤化合物、シリコーン軟質粒子及び無機充填剤を含む組成物を用いて絶縁層を形成することによって、電子部品固定のための半田にクラックが発生することを抑制している。
特許文献２の回路基板では、（１）エポキシ樹脂を主体とする樹脂、（２）ポリエーテル骨格を有し、主鎖の末端に１級アミン基を有する硬化剤を含む硬化剤、及び（３）無機充填剤を必須成分とする組成物を用いて絶縁層を形成することによって、電子部品固定のための半田にクラックが発生することを抑制している。
特許文献３の回路基板では、主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂、芳香環を有し、主鎖の末端に１級アミン基を２個以上有する硬化剤、及び無機充填剤を必須成分とする回路基板用組成物を用いて絶縁層を形成することによって、電子部品固定のための半田にクラックが発生することを抑制している。
特許文献４の回路基板では、絶縁層と接する金属板の側面部を、特定の角度に調節することによって、絶縁層にクラックが発生することを抑制している。

特開２００２−０７６５４９号公報 特開２００２−０１２６５３号公報 特開２００８−２６６５３５号公報 特開２００１−２１７３６８号公報

本発明者らは、信頼性が極めて高い金属ベース回路基板を開発すべく、ヒートサイクル試験を行ったところ、図１に示すように、導電回路層の端部近傍において、絶縁層にクラックが生じる場合があることに気がついた。このクラックは、絶縁層の厚さ方向に延びており、金属基板にまで到達すると、金属基板と導電回路層との間に絶縁不良が生じてしまう。

上記特許文献１〜３の発明は、電子部品固定のための半田にクラックが発生することを抑制することを目的としており、絶縁層に発生するクラックについては、議論されていない。一方で、上記特許文献４の発明は、絶縁層に発生するクラックを抑制することを目的としている。しかしながら、上記特許文献４の実施例では２６０℃×１０分熱処理後のクラックが抑制されているのみで、ヒートサイクル試験（例えば、−４０℃〜１５０℃の繰返し試験）に耐えうる耐性を考えると、未だ改善の余地を残していた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ヒートサイクル試験後においても、絶縁層にクラックが発生することを抑制することが可能な高信頼性の回路基板、又は電子部品搭載基板を提供するものである。

本発明者らは、金属ベース回路基板の生産過程において、エッチングにより加工したリードフレームを導電回路層として用いていた。しかしながら、エッチングはコストと時間がかかるため、効率の良い方法とはいえなかった。そこで、エッチングに代えて打ち抜き加工を試みた。しかしながら、得られた金属ベース回路基板にヒートサイクル試験を行った後、絶縁層を調べてみると、リードフレームと絶縁層との接触面の端部近傍に、クラックが発生していた。

そのような中、本発明者らは、打ち抜き後のリードフレームを「上下反転」させてＢステージの絶縁層に積層させてみた（図２）。そうすると、驚くべきことに、ヒートサイクル試験を繰返し行った後においても、絶縁層にクラックの発生が起きていないことを発見した。

即ち、本発明によれば、金属基板と、上記金属基板上に形成された絶縁層と、上記絶縁層上に形成された導電回路層とを有する金属ベース回路基板であって、
上記絶縁層は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機フィラーを混合して得られるエポキシ樹脂組成物から形成され、
上記導電回路層は、打ち抜き加工によって形成され、且つ打ち抜き加工時の上面が絶縁層側に配置される、金属ベース回路基板が提供される。

以下、本発明の種々の実施形態を説明する。以下に示す種々の実施形態は、互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、上記打ち抜き加工は、上記導電回路層の側面の傾斜角度Ｒが、９０°＜Ｒ＜１８０°の範囲内である。
好ましくは、上記導電回路層は、打ち抜き加工後の銅板をＢステージ状態の絶縁層に接着させて得られる。
好ましくは、上記導電回路層は、８０〜１５０℃、０．０２〜０．０７Ｐａ、１０〜６０秒の条件で、Ｂステージ状態の絶縁層に真空プレスして得られる。

また、本発明によれば、上記金属ベース回路基板と、この金属ベース回路基板上に搭載された電子部品を有する電子部品搭載基板が提供される。

図１は、従来の回路基板において、導電回路層と絶縁層の接触面の端部において、絶縁層に発生するクラックを示す断面ＳＥＭ写真である。 図２は、本発明の一実施形態の回路基板の構成を示す断面図である。 図３は、導電回路層の側面の傾斜角度Ｒを説明するための図である。

以下、図２を用いて、本発明の一実施形態の回路基板について説明する。
図２に示すように、本実施形態の回路基板は、金属基板１と、金属基板１上に形成された絶縁層２と、絶縁層２上に形成された導電回路層３を有する。

１．金属基板１
金属基板１の材質は、特に制限はなく、鉄、銅、アルミニウムやその合金を用いることができる。基板１の厚さは、特に限定されないが、例えば０.２ｍｍ以上４ｍｍ以下である。基板１が薄すぎるとハンドリングが困難であったり、放熱性が悪化したりするからであり、基板１が厚すぎると、回路基板全体が不必要に厚くなってしまうからである。

２．絶縁層２
絶縁層２は、樹脂を含む。この樹脂の種類は、特に限定されず、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂などを使用することができる。エポキシ樹脂としては、公知のエポキシ樹脂、例えばナフタレン型、フェニルメタン型、テトラキスフェノールメタン型、ビフェニル型、およびビスフェノールＡアルキレンオキサイド付加物型のエポキシ樹脂等があげられ、このうち応力緩和性という理由で、主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂が好ましい。主鎖がポリエーテル骨格を有し直鎖状であるエポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型の水素添加エポキシ樹脂、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ポリテトラメチレングリコール型エポキシ樹脂に代表される脂肪族エポキシ樹脂、およびポリサルファイド変性エポキシ樹脂等があり、これらを複数組み合わせてもよい。

エポキシ樹脂には硬化剤を添加することが好ましい。硬化剤としては、エポキシ樹脂と反応して硬化させるものであれば特に限定されず、それらの具体例としては、たとえばフェノールノボラック樹脂（半固形、固形、液状を含む）、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールＡやレゾルシンなどから合成される各種ノボラック、各種多価フェノール化合物、無水マレイン酸、無水マレイン酸、無水ピロメリト酸などの酸無水物およびメタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノフェニルスルホンなどの芳香族アミンなどがあげられる。半導体装置封止用としては、耐熱性、耐湿性および保存性の点から、フェノールノボラック、クレゾールノボラックなどのノボラック樹脂が好ましく用いられ、用途によっては二種以上の硬化剤を併用してもよい。硬化剤の添加量は、特に限定されないが、エポキシ樹脂１００質量部に対して、５質量部以上５０質量部以下であることが好ましく、例えば5、10、15、20、25、30、35、40、45、又は50質量部であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

エポキシ樹脂組成物とは、エポキシ樹脂の単独重合物であってもよく、他の成分との共重合物であってもよい。このエポキシ樹脂組成物がＡステージ状態（未硬化の状態）にある場合、各種コーターによってシート状に所望の厚みに塗布し、加熱により硬化させることでエポキシ樹脂組成物のシートを作製することができる。シート状への成形は、剥離フィルムに塗工する方法、押出成形、射出成形、ラミネート成形等がある。硬化させる際の熱量を適切にコントロールすることにより、シート状に塗布したエポキシ樹脂組成物を半硬化させたＢステージ状態のシートを作製することもできる。「Ｂステージ状態」とは、樹脂組成物が室温で乾いた状態を示し、高温に加熱すると再び溶融する状態をいい、より厳密には、ＤＳＣ（Differential Scanning Calorimetry：示差走査型熱量計）を用いて、硬化時に発生する熱量から計算した値で硬化度が７０％未満の状態を示す。さらに、Ｂステージのエポキシ樹脂組成物を加熱し、硬化を進めることで、Ｃステージのエポキシ樹脂組成物を作製することができる。「Ｃステージ状態」とは、樹脂組成物の硬化がほぼ終了した状態で、高温に加熱しても再度溶融することはない状態をいい、硬化度７０％以上の状態をいう。

エポキシ樹脂組成物には組成に影響を与えない範囲で、硬化促進剤、変色防止剤、界面活性剤、カップリング剤、着色剤、粘度調整剤などを適宜配合することができる。また、高いＴｇ（例：２００℃以上）を有するエポキシ樹脂組成物として、特開２０１１−２０８００７、特開２００５−０８９６３３に記載のように、多環芳香族型エポキシ樹脂と芳香族アミンとを反応させて得られるものや、特開２００２−０１２６５３に記載のように応力緩和性に優れるものを用いてもよい。多環芳香族型エポキシ樹脂としては、主鎖が、ビフェニル、アントラセン、ナフタレン、ターフェニルのような多環芳香族骨格を有するものが耐熱性の観点からは好ましい。

２−１．絶縁層２の厚さ
本実施形態において、絶縁層２の厚さは、８０μｍ以上３００μｍ以下が好ましい。この範囲が好ましいのは、あまりに薄いと電気絶縁性が確保できなくなる傾向にあり、あまりに厚いと熱放散性が低下する傾向にあり、さらに小型化や薄型化に寄与できなくなる傾向にあるためである。

２−２．無機フィラー
絶縁層２は無機フィラーを含有していてもよい。無機フィラーとしては、電気絶縁性に優れかつ熱伝導率の高いものが用いられ、例えばアルミナ、シリカ、窒化アルミ、窒化ケイ素、窒化硼素の単独又は複数の組み合わせがあり、高い充填可能性及び高い熱伝導性の見地から、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素、窒化硼素が好ましい。無機フィラーの充填率は、例えば、４０〜８５体積％であり、具体的には４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、又は８５体積％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。無機フィラーは、充填率を高めるために、平均粒子径が異なる複数種類の粒子を混合したものを用いることができる。例えば、二種類の粒子を混合する場合、平均粒子径が５〜５０μｍの大粒子と、平均粒径が０．５〜２μｍの小粒子とを混合することができる。なお、本明細書において、「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径を意味する。

３．導電回路層３
導電回路層３の素材としては、銅、アルミニウム、鉄、錫、金、銀、モリブデン、ニッケル、チタニウムの単体又はこれら金属を二種類以上含む合金であり、汎用性の高い銅を主成分として含むことが好ましい。導電回路層３の形状としては、板、シート、箔、これらの積層体がある。導電回路層３の厚さは、５０〜３００μｍである。厚さが薄すぎると、大電流を流したときの発熱が大きくなり、厚さが厚すぎると、絶縁層２にクラックが生じやすくなるからである。導電回路層３の表面にニッケルメッキ、ニッケル−金メッキ等のメッキ処理をしても良い。また、１つの絶縁層２に積層する導電回路層３の数は特に限定されない。本明細書において「主成分」とは、例えば、一つの層内に最も多く含まれる成分を意味する。主成分の含有量は、例えば、80、85、90、95、98、99、99.7、99.8、99.9、又は100質量％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

３−１．打ち抜き加工
導電回路層３は、絶縁層２に接着させる前に打ち抜き加工を施し、打ち抜き時の上面を絶縁層に接着させることが好ましい。さらに、打ち抜き加工は、導電回路層の側面の傾斜角度Ｒが、９０°＜Ｒ＜１８０°の範囲内になるように打ち抜くことが好ましい。これにより、導電回路層３と絶縁層２との接触面の端部近傍に発生する、絶縁層２内のクラックを抑制できる。打ち抜き加工としては、例えば、特開平11-284335号公報に記載の方法で行うことができる。

打ち抜き加工後の導電回路層３の側面は傾斜している。この傾斜は、例えば、絶縁層２側からその反対側に向かって広がっていくように傾斜し、丸みを帯びた形状となっていてもよい。この場合、Ｂステージの絶縁層２に導電回路層３を押し込むときの応力の集中が、その傾斜によって低減される。

傾斜角度Ｒは、電回路層の側面の傾斜角度であり、図３のＲに対応する角度である。Ｒは、導電回路層の絶縁層側の面の端部ｘと、導電回路層の絶縁層と反対側の面の端部ｙとの、最近接点を結ぶ直線の成す方向と、導電回路層の絶縁層側の面の中心ｚと、上記ｘとを結ぶ直線の成す方向とから形成される内角として表すことができる。このＲは、例えば91、95、100、110、120、130、140、150、160、170、又は179°であってもよく、いずれか２つ数値の範囲内であってもよい。

打ち抜き後の導電回路層３には、打ち抜き時の下面の端部にバリが発生していることがある。導電回路層３を絶縁層２と接着させる前に、バリを低減させる処理を行ってもよい。例えば、バリを潰してもよく、研削してもよい。潰すことは、例えば特開平第2-59125号公報に記載の方法で行うことができる。研削は、例えば特開平9-27579号公報に記載の方法で行うことができる。なお、バリがあるときは、バリの先端部が上記ｙに該当する。バリを潰しているか、研削しているときは、その加工によって形成される突部が上記ｙに該当する。

導電回路層３は、絶縁層２と反対側の面の面積が、絶縁層２側にあり絶縁層と略平行な面の面積よりも大きくてもよい。この大きさの度合いは、例えば1.05、1.10、1.20、1.40、1.60、1.80、2、3、5、10、又は、30倍であってもよい。又は、ここで例示したいずれかの数値以上、もしくはいずれか２つ数値の範囲内であってもよい。

４．製造方法
本実施形態の回路基板の製造方法は、例えば、金属基板に絶縁層としての絶縁材を塗布した後に加熱半硬化させ、さらに絶縁層の表面に導電回路層としての金属箔をラミネート又は熱プレスする製造方法、絶縁剤をシート状にしたものを介して金属基板と導電回路層としての金属箔を貼り合わせる。その後、モールド成形、アフターキュアを経て製造する方法がある。

Ｂステージの絶縁層の表面に導電回路層をプレスする条件は、特に限定されないが、例えば真空プレスにて１２０℃、４０秒、０．０５Ｐａの条件であってもよい。また、80〜250℃、0.02〜0.09Ｐａ、10〜120秒の条件で行ってもよく、特に80〜150℃、0.02〜0.07Ｐａ、10〜60秒の条件が好ましい。このプレスの温度、圧力、時間が小さいほど、絶縁層にかかる応力が低減し、クラックの発生を抑制することができる。また、この値が小さいほど、絶縁層の流れによる不良を抑制することができる。

但し、プレスする圧力を小さくしすぎると、導電回路層が十分に接着できないという不具合が生じることがある。そのため、タック性又は接着強度に優れた絶縁層を用いることが好ましい。

以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。また、上記実施形態に記載の構成を組み合わせて採用することもできる。

以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂（YX8000、三菱化学）１００質量部、ビフェニル型エポキシ樹脂（YX4000、三菱化学）２２質量部、高分子量ビスフェノールA型エポキシ樹脂（YD-017、新日鐵化学）２２質量部、フェノール樹脂（MEH-8005、昭和化成）８４質量部を１３０℃まで加熱した後、攪拌して混合し、室温まで冷却した後、トリフェニルフォスフィン（TPP、北興化学）０．１質量部、及び無機フィラーを加えて、プラネタリーミキサーで１５分間、攪拌混合しエポキシ樹脂組成物を作製した。無機フィラーは、エポキシ樹脂組成物全体に対して５０容量％となるように添加した。また、無機フィラーとして、窒化アルミ（平均粒径３０μｍ、電気化学工業）７０体積％と、窒化アルミ（Hグレード、平均粒径１．０７〜１．１７μｍ、電気化学工業）３０体積％を混合したものを用した。

厚さ３００μｍの銅板上に、得られたエポキシ樹脂組成物を厚さ１５０μｍで塗布した後に１１０℃３０分で加熱してＢステージ状態とした（Ｂステージ層）。

厚さ７０μｍの導電板（銅板）をエッチング加工して、リードフレーム（導電回路層）を形成した。さらに、リードフレームを１２０℃４０秒で加熱した状態で、銅板上のＢステージの絶縁層に仮接着した。このとき、真空プレスにて１２０℃、４０秒、０．０５Ｐａの条件で絶縁層に圧着させた。

次に、１７５℃１８０秒のモールド成形をした後、１８０℃４時間のアフターキュアを行った。さらに、高温高湿（８５℃８５％）下で−４０℃〜１５０℃の間でのヒートサイクルを繰り返し行った。その後、リードフレームと絶縁層の接着面の端部におけるクラックの有無を調べた。その結果、この比較例サンプルでは、１０回のヒートサイクルで、導電回路層の端部で絶縁層にクラックが発生していた（図１参照）。

次に、下記のサンプル（１）及び（２）を作製し、同様のヒートサイクル試験を行った。その結果、サンプル（１）では、１０回のヒートサイクルで、導電回路層の端部で絶縁層にクラックが発生していた。一方で、サンプル（２）ではクラックが発生しなかった。

（１）エッチング加工をプレス法に代えたサンプル
上記の工程のうち、エッチング加工に代えて、プレス法により導電板（銅板）を打ち抜いて、リードフレーム（導電回路層）を形成した。このとき、打ち抜き時の下面を絶縁層に圧着させた。それ以外は、上記と同様の工程を行って作製した。導電回路層の側面の傾斜角度Ｒは、６０°だった。
（２）エッチング加工をプレス法に代え、さらに打ち抜き時の上面を絶縁層に圧着させたサンプル
上記の工程のうち、エッチング加工に代えて、プレス法により導電板（銅板）を打ち抜いて、リードフレーム（導電回路層）を形成した。このとき、打ち抜き時の上面を絶縁層に圧着させた。それ以外は、上記と同様の工程を行って作製した。導電回路層の側面の傾斜角度Ｒは、１２０°だった。

＜考察＞
以上の結果から、リードフレームの打ち抜き時の上面をＢステージの絶縁層に接着させることによって、ヒートサイクルを繰り返した後であっても、絶縁層内のクラックを抑制できることがわかった。

以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

Claims (5)

1. 金属基板と、前記金属基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された導電回路層とを有する金属ベース回路基板であって、
   前記絶縁層は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機フィラーを混合して得られるエポキシ樹脂組成物から形成され、
   前記導電回路層は、打ち抜き加工によって形成され、且つ打ち抜き加工時の上面が絶縁層側に配置される、金属ベース回路基板。
2. 前記打ち抜き加工は、前記導電回路層の側面の傾斜角度Ｒが、９０°＜Ｒ＜１８０°の範囲内である、請求項１に記載の金属ベース回路基板。
3. 前記導電回路層は、打ち抜き加工後の銅板をＢステージ状態の絶縁層に接着させて得られる、請求項１又は２に記載の金属ベース回路基板。
4. 前記導電回路層は、８０〜１５０℃、０．０２〜０．０７Ｐａ、１０〜６０秒の条件で、Ｂステージ状態の絶縁層に真空プレスして得られる、請求項１〜３いずれかに記載の金属ベース回路基板。
5. 請請求項１〜４いずれかに記載の金属ベース回路基板と、この金属ベース回路基板上に搭載された電子部品とを有する、電子部品搭載基板。