JP6479382B2 - 金属ベース基板 - Google Patents

Description

本発明は金属ベース基板に関し、特に、層間剥離の抑制と高放熱性とを両立した金属ベース基板に関するものである。

回路パターンが形成される回路層と樹脂からなる絶縁層とが積層された電気回路基板においては、回路パターンに取り付けられた電気部品の動作によって回路層に生じる熱を効率よく放出することを目的として、絶縁層の回路層とは反対の面に金属からなる放熱層を備える金属ベース基板がある。例えば特許文献１には、金属製の放熱板上に絶縁層を介して回路用金属層が形成された金属ベース回路基板が記載されている。

このような金属ベース基板（金属ベース回路基板）において回路層に生じた熱は、絶縁層を介して放熱層へ伝導される。放熱層は前述した通り金属からなるものなので、熱は放熱層を効率よく伝わって、放熱層の開放面から空気中に放出される。放熱層の材料としては、熱伝導率や調達の容易さを考慮してアルミニウムや銅が採用される。

近年では、半導体素子の高集積化や配線の過密化によって、高熱を生じる電気回路が増加しており、放熱性のより高い金属ベース基板の要求が高まっている。金属ベース基板に高い放熱性が要求される場合、放熱層の材料としてはアルミニウムよりも熱伝導率の高い銅が採用される（銅の熱伝導率は３８６〜４０２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、アルミニウムの熱伝導率は２２６〜２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ））。

特開２００７−１５０２２４号公報

しかしながら、放熱層に銅を採用した金属ベース基板においては、放熱層にアルミニウムを採用した場合に比べて、放熱層と絶縁層との接合部分において層間剥離が生じやすい。これは、銅と樹脂との熱膨張率の差が大きいために、温度変化に起因する膨張または収縮の程度が絶縁層と放熱層とで大きく異なることによる。特に、自動車のエンジンルーム等、激しい温度変化に曝される環境において金属ベース基板が使用される場合には、放熱層と絶縁層との剥離が一層生じやすい。

一方で、上述の層間剥離を抑制するために放熱層にアルミニウムを採用した場合には、アルミニウムの熱伝導率が銅より低いことから、金属ベース基板全体の放熱性が低下してしまう。このように、放熱層の材料として、銅を採用して放熱性を高めた場合には層間剥離を生じやすくなり、アルミニウムを採用して層間剥離を抑制した場合には放熱性が損なわれてしまう。よって、金属ベース基板において放熱性の向上と層間剥離の抑制とを両立できないとの問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、層間剥離の抑制と高放熱性とを両立した金属ベース基板を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明の金属ベース基板は、回路パターンを形成する導電体からなる回路層と、その回路層に接合され、熱硬化性樹脂が熱硬化されて形成される絶縁層と、その絶縁層の前記回路層に接合される面の反対面に接合され、金属からなる放熱層とが積層されたものにおいて、前記放熱層は、前記絶縁層に接合される面を形成するアルミニウム材と、前記放熱層の開放面を形成する銅材とが接合されたクラッド材で構成され、前記銅材における前記開放面には突起状のフィンが形成され、前記絶縁層は、伝熱性を高めるためのアルミナや二酸化ケイ素による無機フィラーが添加されることで２〜１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有し、その厚みが５０〜２００μｍに形成されていることを特徴とする。

また、前記銅材の厚みが前記放熱層の厚みの７０％以上であることを特徴とする。

請求項１記載の金属ベース基板によれば、次の効果を奏する。回路パターンが形成される回路層に熱硬化性樹脂が硬化されて形成される絶縁層が接合され、その絶縁層には、放熱性を高めるための金属からなる放熱層が接合される。絶縁層は、伝熱性を高めるためのアルミナや二酸化ケイ素による無機フィラーが添加されることで２〜１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有し、その厚みが５０〜２００μｍに形成される。これにより、絶縁層に接合された回路層からの熱を絶縁層へ、そして絶縁層から絶縁層に接合された放熱層へと、効率良く伝導させることができる。更に、絶縁層の厚みが５０〜２００μｍに形成されるので、回路層からの熱が長時間、絶縁層に留まることなく放熱層へ伝導されるので、回路層からの熱によって絶縁層が変形し、絶縁層と回路層との接合、または絶縁層と放熱層との接合が剥離してしまうのを抑制できる。また放熱層は、絶縁層に接合されるアルミニウム材と放熱層の開放面を形成する銅材とが接合されたクラッド材で構成される。放熱層において絶縁層に接合される面は、絶縁層を形成する熱硬化性樹脂に熱膨張率が近いアルミニウム材により形成されるので、温度変化による絶縁層と放熱層との剥離を抑制できる。一方、放熱層の開放面は、熱伝導率の高い銅材により形成される。よって、回路層に生じた熱は、絶縁層を介して放熱層のアルミニウム材に伝導され、更にアルミニウム材から熱伝導率のより高い銅材に伝導されて、放熱層の開放面から効率よく放出される。更に、銅材における開放面側には、突起状のフィンが形成されているので、かかるフィンによって銅材の表面積が増加し、放熱性をより高めることができる。従って、絶縁層と放熱層との層間剥離の抑制と、回路層に生じる熱の効率よい放出とを両立できるとの効果がある。また、クラッド材は２種の金属を隙間なく貼り合わせたものであるので、アルミニウム材と銅材との接合部分が剥離する虞がなく、アルミニウム材と銅材との接合部分での熱伝導の損失も小さい。従って、放熱層における層間剥離の防止と熱伝導の損失の抑制との効果がある。

なお、本発明の金属ベース基板としては、回路層に回路パターンが形成されたものであってもよいし、回路層に回路パターンが形成される前のものであってもよい。

また、金属材の接合には熱硬化性樹脂の硬化温度より高い温度を要することがあるが、アルミニウム材と銅材とが接合されたクラッド材を採用することで、金属ベース基板の製造工程においてアルミニウム材と銅材とを接合する工程を要さず、熱硬化性樹脂の硬化温度以上の加温も要さない。従って、金属ベース基板の製造を容易化して、製造コストを低減できるとの効果もある。

請求項２記載の金属ベース基板によれば、請求項１に記載の金属ベース基板の効果に加え、次の効果を奏する。銅材の厚みは放熱層全体の厚みの７０％以上とされるので、放熱層においては、銅材より熱伝導率の低いアルミニウム材を熱が伝わる距離を短くし、高い熱伝導率を有する銅材を主な熱伝導媒体として効率よく放熱できる。従って、放熱層にアルミニウム材を用いることによる伝熱性の低下を抑制できるとの効果がある。

本発明の金属ベース基板の積層構造を表す模式図である。 本発明の金属ベース基板を構成する材料を積層して接合する工程を表す説明図である。 本発明の金属ベース基板に回路パターンとＶ字溝とを形成する工程を表す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１を参照して本発明の金属ベース基板の構造を説明する。図１は本発明の金属ベース基板の積層構造を表す模式図である。

金属ベース基板１は、銅箔１０とクラッド材３０とが、樹脂材２０を挟んで接合されたものである。換言すれば、金属ベース基板１は銅箔１０と樹脂材２０とクラッド材３０とが積層されたものである。

銅箔１０は、電気部品が取り付けられる回路パターンが後のエッチング加工によって形成される層を構成するものである。回路パターンの形成方法については図３を参照して後述する。本実施形態の銅箔１０としては、厚みが１２〜６００μｍのものを採用した。

樹脂材２０は、エポキシ樹脂が加温により熱硬化されたものである。樹脂材２０は、銅箔１０及びクラッド材３０を接合する機能と、銅箔１０とクラッド材３０とを電気的に絶縁する機能と、銅箔１０側の面に生じた熱をクラッド材３０に伝導する機能とを兼ねる。本実施形態の樹脂材２０には、伝熱性を高めるためのアルミナや二酸化ケイ素等の無機フィラーが添加され、２〜１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有するものであって、厚みが５０〜２００μｍのものを採用した。

クラッド材３０は、ともに板状のアルミニウム板３１と銅板３２とが積層して接合されたものである。クラッド材３０では、アルミニウム板３１が露出する面が樹脂材２０に接合され、銅板３２が露出する面がクラッド材３０の開放面とされる。

本実施形態のクラッド材３０としては、銅板３１の厚みがクラッド材３０全体の厚みの７０〜９０％の範囲内のものを採用している。銅板３１の厚みをクラッド材３０全体の厚みの７０％以上とすることで、熱伝導率の高い銅板３２がクラッド材３０の厚みに占める割合が大きくなり、熱伝導率の低いアルミニウム板３１の厚みがクラッド材３０の厚みに占める割合が小さくなる。従って、クラッド材３０における伝熱性の低下を抑制できる。なお、クラッド材３０の品質を安定させるためにアルミニウム板３１の厚みをクラッド材３０の厚みの１０％以上としているが、クラッド材３０における伝熱性をより高めるために、アルミニウム板３１の厚みをクラッド材３０の厚みの１０％未満としてもよい。

以上の構成を有する金属ベース基板１においては、銅箔１０の層に生じた熱が樹脂材２０を介してクラッド材３０のアルミニウム板３１へ伝導される。アルミニウム板３１に伝導された熱は更に、熱伝導率の高い銅板３２へ伝導され、銅板３２の開放面（即ち、クラッド材３０の開放面）から放出される。従って、金属ベース基板１においては、銅箔１０に生じた熱を効率よく放出できる。

また、本実施形態の金属ベース基板１の放熱層としては、クラッド材３０を採用した。クラッド材３０は２種の金属が間隙なく強固に接合されたものであるので、アルミニウム板３１と銅板３２との接合部分における剥離を防止できるとともに、その接合部分における熱伝導の損失も抑制できる。また、アルミニウム板３１と銅板３２とが既に接合されたクラッド材３０を用いることで、金属ベース基板１の製造工程においてアルミニウム板３１と銅板３２とを貼り合わせる工程を省略して、製造コストを低減できる。

また、樹脂材２０を形成するエポキシ樹脂の熱膨張率には、銅の熱膨張率よりアルミニウムの熱膨張率の方が近い。従って、クラッド材３０のアルミニウム板３１が露出する面を樹脂材２０に接合することで、温度変化による樹脂材２０とクラッド材３０との接合部分での剥離を抑制できる。

次に図２及び図３を参照して金属ベース基板１の製造工程について説明する。まず、図２を参照して、金属ベース基板１の材料を積層して接合する工程を説明する。

図２（ａ）には、金属ベース基板１の材料となる部材と、その部材を積層する順を示す。金属ベース基板１における放熱層を構成するクラッド材３０は、前述した通り、アルミニウム板３１と銅板３２とが接合されたクラッド材である。なお、クラッド材３０のアルミニウム板３１が露出する面には、予め化学研磨により微細な凹凸が形成されている。この凹凸は算術平均粗さにして０．５〜１０μｍとすることが望ましい。これにより、後の工程でクラッド材３０と樹脂材２０とが接合された場合に、アンカー効果によって接合強度を高めることができる。

クラッド材３０はアルミニウム板３１が露出する面を上面とし、その上に金属ベース基板１の絶縁層を構成する未硬化状態の樹脂材２０が重ねられる。樹脂材２０は、前述した通り、エポキシ樹脂で構成されるシート状の材料である。本実施形態の樹脂材２０としては、約１５０℃以上に加温することでエポキシ樹脂がＣステージまで硬化するものを採用した。

樹脂材２０の上には、金属ベース基板１の回路層を構成する銅箔１０が重ねられる。図２（ｂ）に以上説明した材料が積層された状態を示し、この積層された状態の部材を以下「積層部材１ａ」と称す。

次に、積層部材１ａに対して、図２（ｃ）に示す予備接合加工が行われる。予備接合加工は真空環境において行われる。なお、「真空環境」とは大気圧より低く減圧された環境を指す趣旨であり、好適には４２ｈＰａまで減圧した環境であることが望ましい。

積層部材１ａは上面と下面から、即ち、樹脂材２０とクラッド材３０とが接合する図示矢印の方向に０．５ＭＰａ〜１．０ＭＰａに加圧されつつ、エポキシ樹脂がＣステージまで硬化する温度である約１５０℃より低い８０〜１００℃に加温される。この加温によりエポキシ樹脂は、硬化状態からＢステージの範囲内において溶融（ゲル化）され、これによりエポキシ樹脂の粘度が低下する。このように、積層部材１ａが上下から緩やかに加圧されつつエポキシ樹脂が溶融（ゲル化）させられることにより、樹脂材２０とクラッド材３０との間に存在する空気が環境の減圧によって積層部材１ａの外部へ排出され、その結果、樹脂材２０とクラッド材３０とを密着状態とできる。

次に、予備接合加工が行われた積層部材１ａに対して、図２（ｄ）に示す接合加工が行われる。接合加工は特に減圧環境で行う必要はないが、減圧環境で行ってもよい。接合加工において積層部材１ａは、樹脂材２０とクラッド材３０とが接合する図示矢印の方向に予備接合加工時より高い２．０〜５．０ＭＰａに加圧されつつ、エポキシ樹脂がＣステージまで硬化する温度以上の１５０〜２５０℃に加温されることによって、樹脂材２０のエポキシ樹脂がＣステージまで硬化される。以上の工程により、積層部材１ａの各材料が接合され、金属ベース基板１が製造される。

以上説明した予備接合加工と接合加工とによる金属ベース基板１の製造方法によれば、予備接合加工において樹脂材２０とクラッド材３０とが密着された状態とされ、その後、接合加工により樹脂材２０が完全に硬化される。従って、樹脂材２０とクラッド材３０との接合を強固にでき、層間剥離の生じにくい金属ベース基板１を製造できる。

なお、予備接合加工および接合加工における加温の温度は樹脂材２０の材料となる熱硬化性樹脂の性質に応じて適宜設定できるものである。予備接合加工における加温は樹脂材２０の熱硬化性樹脂がＣステージまで硬化する温度より低い温度であればよく、接合加工における加温は樹脂材２０の熱硬化性樹脂がＣステージまで硬化する温度以上の温度であればよい。

また、予備接合加工および接合加工において積層部材１ａにかける圧力は上述の圧力の範囲に限定されるものではなく、予備接合加工においては１．０ＭＰａ以下の圧力であればよく、接合加工においては予備接合加工で積層部材１ａにかけた圧力より高い圧力であればよい。これらの圧力は、材料の性質等に応じて適宜調整することが可能である。

次に図３を参照して、金属ベース基板１における回路パターンの形成とＶ字溝の形成とについて説明する。図３（ａ）に示す部材は、図２に示す工程により製造された金属ベース基板１の上面にエッチングレジスト５０（フォトレジスト）が貼付されたものである。回路パターンを形成する部分のエッチングレジスト５０に紫外線を照射し、そのエッチングレジスト５０を部分的に硬化させる（パターン露光）。その後、現像液をかけてエッチングレジスト５０の未硬化部分、即ち、回路パターンとして形成しない部分を除去する（現像）。回路パターンとして形成しない部分のエッチングレジスト５０が除去された状態を図３（ｂ）に示す。

次に、図３（ｂ）の状態となった金属ベース基板１に対してエッチング液をかけ、残存するエッチングレジスト５０から露出した銅箔１０の部分を溶解して図３（ｃ）の状態とする。その後、剥離液により残存するエッチングレジスト５０を除去して図３（ｄ）の状態とし、銅箔１０からなる回路パターンが金属ベース基板１上に形成される。

金属ベース基板１に回路パターンが形成された後、図３（ｅ）に示すように、金属ベース基板１における所望の切断位置に、銅箔１０側およびクラッド材３０側の両面からＶ字溝６０をＶカット加工により形成する。なお、Ｖ字溝６０は、銅箔１０側またはクラッド材３０側のいずれか１面のみに形成するようにしてもよい。Ｖ字溝６０を形成することにより、金属ベース基板１が厚みのあるものであっても、所望の切断位置で容易に切断できる。なお、金属ベース基板１の最終的な切断は、Ｖ字溝６０の箇所を人手で折り曲げることによって行う。また、Ｖカット加工では金型による打ち抜き等に比べて接合部分に大きな衝撃が加わらないので、切断部分での層間剥離を抑制できる。

以上説明した金属ベース基板１について、発明者らが行った試験では、金属ベース基板１の表面温度を１９０℃に６分間維持した後、２７５℃に加温して６分間維持する温度変化実験において、層間剥離が生じないことが確認された。また、金属ベース基板１のおかれた環境を−４０℃と、１２５℃とを交互に１００回変化させるヒートサイクル実験においても層間剥離が生じないことが確認された。

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記実施形態では、樹脂材２０は熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂で構成されるものであることを説明したが、エポキシ樹脂に代えてポリイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂などの種々の熱硬化性樹脂を採用することも当然可能である。また、樹脂材２０には無機フィラーが添加されることを説明したが、無機フィラーを添加しないものであってもよい。絶縁層を構成する材料が熱硬化性樹脂からなるものであれば、樹脂材２０とクラッド材３０との層間剥離を防止できるとの本発明の効果は同様だからである。

また、図１に示す金属ベース基板１では、銅箔１０と樹脂材２０との接合および樹脂材２０とクラッド材３０との接合は、それぞれの接合面の全部において接合されるものとしたが、１の層の接合面の一部に他の層の接合面が接合されるものとすることも可能である。例えば、樹脂材２０の面の一部に銅箔１０が接合されたものであってもよいし、クラッド材３０におけるアルミニウム板３１の露出面の一部に樹脂材２０が接合されたものであってもよい。

また、銅箔１０はエッチング加工によって回路パターンを形成するものであることを説明したが、本発明の金属ベース基板の回路層としては回路パターンが形成される前のものであってもよい。また、形成された回路パターンに更にソルダーレジストによる被覆が行われたものであってもよい。また更に回路層としては、上記説明したエッチング加工によって回路パターンが形成されるもの（所謂、サブトラクティブ法によるもの）の他、導電体のメッキによって回路パターンが形成されるもの（所謂、アディティブ法によるもの）であってもよい。本発明の層間剥離の抑制と高放熱性との効果は、回路層に形成される回路パターンの態様に依らず、同様だからである。

また、上記実施形態においては金属ベース基板の放熱層として、アルミニウム板３１と銅板３２とが接合されたクラッド材３０を用いることを説明したが、アルミニウム板３１と銅板３２とをクラッド加工以外の方法で貼り合わせたものを用いることも可能である。また、クラッド材３０を構成するアルミニウム板３１と銅板３２とは、ともに板状であることを説明したが、樹脂材２０と接合される面が平面であれば、他の形状であってもよい。例えば、放熱性をより高めるためにクラッド材３０の銅が露出する面を突起状のフィン構造としてもよい。

１０ 銅箔（回路層）
２０ 樹脂材（絶縁層）
３０ クラッド材（放熱層）
３１ アルミニウム板（アルミニウム材）
３２ 銅板（銅材）

Claims (2)

1. 回路パターンを形成する導電体からなる回路層と、
   その回路層に接合され、熱硬化性樹脂が熱硬化されて形成される絶縁層と、
   その絶縁層の前記回路層に接合される面の反対面に接合され、金属からなる放熱層とが積層された金属ベース基板において、
   前記放熱層は、
   前記絶縁層に接合される面を形成するアルミニウム材と、前記放熱層の開放面を形成する銅材とが接合されたクラッド材で構成され、
   前記銅材における前記開放面には突起状のフィンが形成され、
   前記絶縁層は、
   伝熱性を高めるためのアルミナや二酸化ケイ素による無機フィラーが添加されることで２〜１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有し、
   その厚みが５０〜２００μｍに形成されていることを特徴とする金属ベース基板。
2. 前記銅材の厚みが、前記放熱層の厚みの７０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属ベース基板。

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