金属ベース回路基板およびパワーモジュール
【課題】金属基板、絶縁層および導電箔を具備するパワーモジュール用の金属ベース回路基板において、その放熱性を大幅に向上させる。
【解決手段】金属基板２と導電箔５との間に介在する絶縁層３は、溶媒可溶性の液晶ポリエステルから形成されている。この絶縁層３には、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の無機充填剤が含まれている。これにより、金属ベース回路基板４の放熱性を大幅に向上させ、金属ベース回路基板４上の発熱素子６の動作を安定させることができる。
【解決手段】金属基板２と導電箔５との間に介在する絶縁層３は、溶媒可溶性の液晶ポリエステルから形成されている。この絶縁層３には、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の無機充填剤が含まれている。これにより、金属ベース回路基板４の放熱性を大幅に向上させ、金属ベース回路基板４上の発熱素子６の動作を安定させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属基板、絶縁層および導電箔を具備する金属ベース回路基板と、この金属ベース回路基板を用いたパワーモジュールとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の高性能化、小型化の進展に伴い、半導体の高密度・高機能化が要求される傾向にある。こうした流れの中、パワー半導体素子などの発熱素子を内部に有するパワーモジュールでは、その発熱素子に大電流が流れて温度が上昇するため、発熱素子の動作が不安定になる恐れがある。
【０００３】
そこで、このような不都合に対処すべく、発熱素子を実装するための金属ベース回路基板において、エポキシ樹脂などからなる絶縁層に無機充填剤（アルミナ、窒化ホウ素など）を添加して絶縁層の熱伝導率を高めることにより、金属ベース回路基板の放熱性を改善しようとする技術が提案されていた（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１７０９１１号公報（段落〔０００３〕〔００２４〕〔００２５〕の欄）
【特許文献２】特開２００８−２１８９０７号公報（段落〔００１３〕の欄）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、絶縁層に対する無機充填剤の添加量には自ずと上限があるため、絶縁層の熱伝導率の向上、ひいては金属ベース回路基板の放熱性の向上にも限界があった。
【０００６】
そこで、本発明は、このような事情に鑑み、放熱性を大幅に向上させることが可能な金属ベース回路基板を提供することを第１の目的とし、また、このような金属ベース回路基板を用いることにより、発熱素子の動作を安定させることが可能なパワーモジュールを提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的を達成するため、本発明者は、絶縁層の熱伝導率を高めるべく、従来の絶縁層の材料（エポキシ樹脂など）より熱伝導率が高く、しかも無機充填剤の高充填が可能な溶媒可溶性の液晶ポリエステルを絶縁層の材料として採用することに着目し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の発明は、金属基板と、この金属基板上に設けられた絶縁層と、この絶縁層上に設けられた回路形成用の導電箔とを具備し、パワーモジュールに適用される金属ベース回路基板であって、前記絶縁層が、溶媒可溶性の液晶ポリエステルから形成されている金属ベース回路基板としたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記液晶ポリエステルが、下式（１）で示される構造単位と、下式（２）で示される構造単位と、下式（３）で示される構造単位とを有し、全構造単位の合計含有量に対して、下式（１）で示される構造単位の含有量が３０〜６０モル％、下式（２）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％、下式（３）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％の液晶ポリエステルであることを特徴とする。
（１）−Ｏ−Ａｒ1 −ＣＯ−
（２）−ＣＯ−Ａｒ2 −ＣＯ−
（３）−Ｘ−Ａｒ3 −Ｙ−
（式中、Ａｒ1 は、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ａｒ2 は、フェニレン基、ナフチレン基または下式（４）で示される基を表し、Ａｒ3 は、フェニレン基または下式（４）で示される基を表し、ＸおよびＹは、それぞれ独立に、ＯまたはＮＨを表す。なお、Ａｒ1 、Ａｒ2 およびＡｒ3 の芳香環に結合している水素原子は、ハロゲン原子、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。）
（４）−Ａｒ11−Ｚ−Ａｒ12−
（式中、Ａｒ11、Ａｒ12は、それぞれ独立に、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ｚは、Ｏ、ＣＯまたはＳＯ2 を表す。）
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の構成に加え、前記絶縁層に無機充填剤が含まれていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の構成に加え、前記無機充填剤は、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属ベース回路基板に発熱素子が実装されて封止樹脂で封止されているパワーモジュールとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、溶媒可溶性の液晶ポリエステルから絶縁層を形成することにより、放熱性を大幅に向上させることが可能な金属ベース回路基板を提供することができる。
【００１４】
また、このような金属ベース回路基板を用いることにより、発熱素子の動作を安定させることが可能なパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］
【００１７】
図１には、本発明の実施の形態１を示す。この実施の形態１では、導電箔の一例として銅箔５を用い、発熱素子の一例としてパワー半導体素子６を用い、封止樹脂の一例としてシリコーン樹脂７を用いている。
＜パワーモジュールの構成＞
【００１８】
この実施の形態１に係るパワーモジュール１は、図１に示すように、金属ベース回路基板４を有しており、この金属ベース回路基板４は、金属基板２、絶縁層３および銅箔５から構成されている。ここで、金属基板２の表面（図１上面）には絶縁層３が積層されており、絶縁層３の表面（図１上面）には銅箔５が積層されている。また、金属ベース回路基板４には、パワー半導体素子６が表面実装されてゲル状のシリコーン樹脂７で封止されている。さらに、シリコーン樹脂７の上側には樹脂モールド（図示せず）が実施されている。
【００１９】
ここで、金属基板２は、例えば、アルミニウム、銅、ステンレスまたはこれらの合金などからなり、従来の金属ベース回路基板の金属基板と同じものを使用することができる。この金属基板２の厚さは、例えば０．５〜５ｍｍである。なお、金属基板２は平板状のものであっても、任意の曲面状に曲げ加工されたものであってもよい。
【００２０】
また、絶縁層３は、無機充填材（無機フィラー）を含有する溶媒可溶性の液晶ポリエステルから形成されている。この液晶ポリエステルおよび無機充填材については後述する。
【００２１】
さらに、銅箔５には、例えばエッチング等により、回路の配線パターンが形成される。そして、この配線パターンを介して、金属ベース回路基板４上にパワー半導体素子６がはんだ付けされている。この銅箔５の厚さは、例えば３０〜５００μｍである。
＜液晶ポリエステル＞
【００２２】
絶縁層３を構成する液晶ポリエステルは、溶融時に光学異方性を示し、４５０℃以下の温度で異方性溶融体を形成するものである。この液晶ポリエステルを溶媒に溶解して得た溶液（液晶ポリエステル溶液）を用いて、絶縁層３を形成することができる。
【００２３】
この液晶ポリエステルは、下式（１）で示される構造単位（以下、構造単位（１）という。）と、下式（２）で示される構造単位（以下、構造単位（２）という。）と、下式（３）で示される構造単位（以下、構造単位（３）という。）とを有し、全構造単位の合計含有量に対して、下式（１）で示される構造単位の含有量が３０〜６０モル％、下式（２）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％、下式（３）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％の液晶ポリエステルであることが好ましい。
（１）−Ｏ−Ａｒ1 −ＣＯ−
（２）−ＣＯ−Ａｒ2 −ＣＯ−
（３）−Ｘ−Ａｒ3 −Ｙ−
（式中、Ａｒ1 は、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ａｒ2 は、フェニレン基、ナフチレン基または下式（４）で示される基を表し、Ａｒ3 は、フェニレン基または下式（４）で示される基を表し、ＸおよびＹは、それぞれ独立に、ＯまたはＮＨを表す。なお、Ａｒ1 、Ａｒ2 およびＡｒ3 の芳香環に結合している水素原子は、ハロゲン原子、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。）
（４）−Ａｒ11−Ｚ−Ａｒ12−
（式中、Ａｒ11、Ａｒ12は、それぞれ独立に、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ｚは、Ｏ、ＣＯまたはＳＯ2 を表す。）
【００２４】
構造単位（１）は芳香族ヒドロキシ酸由来の構造単位であり、構造単位（２）は芳香族ジカルボン酸由来の構造単位であり、構造単位（３）は芳香族ジアミン、ヒドロキシル基（水酸基）を有する芳香族アミン、芳香族アミノ酸由来の構造単位であるが、これらの代わりに、それらのエステル形成性誘導体を用いてもよい。
【００２５】
カルボン酸のエステル形成性誘導体としては、例えば、カルボキシル基がポリエステルを生成する反応を促進するような酸塩化物、酸無水物などの反応活性が高い誘導体となっているもの、カルボキシル基がエステル交換反応によりポリエステルを生成するようなアルコール類やエチレングリコールなどとエステルを形成しているものなどが挙げられる。
【００２６】
フェノール性ヒドロキシル基のエステル形成性誘導体としては、例えば、エステル交換反応によりポリエステルを生成するように、フェノール性ヒドロキシル基がカルボン酸類とエステルを形成しているものなどが挙げられる。
【００２７】
アミノ基のエステル形成性誘導体としては、例えば、エステル交換反応によりポリエステルを生成するように、アミノ基がカルボン酸類とエステルを形成しているものなどが挙げられる。
【００２８】
本発明に使用される液晶ポリエステルの繰り返し構造単位としては、下記のものを例示することができるが、これらに限定されるものではない。
【００２９】
構造単位（１）としては、例えば、ｐ−ヒドロキシ安息香酸、２−ヒドロキシ−６−ナフトエ酸、４−ヒドロキシ−４’−ビフェニルカルボン酸由来の構造単位などが挙げられ、２種以上の構造単位が全構造単位中に含まれていてもよい。これらの構造単位の中で、２−ヒドロキシ−６−ナフトエ酸由来の構造単位を含む液晶ポリエステルを使用することが好ましい。構造単位（１）の含有量は、全構造単位の含有量に対して、３０〜６０モル％であることが好ましく、４０〜５５モル％であることがより好ましく、４５〜５０モル％であることがさらに好ましい。構造単位（１）の含有量が６０モル％を超えると、溶解性が著しく低下する傾向があり、構造単位（１）の含有量が３０モル％未満では、液晶性を示さない傾向がある。
【００３０】
構造単位（２）としては、例えば、テレフタル酸、イソフタル酸、２，６−ナフタレンジカルボン酸由来の構造単位などが挙げられ、２種以上の構造単位が全構造単位中に含まれていてもよい。これらの構造単位の中で、溶解性の観点から、イソフタル酸由来の構造単位を含む液晶ポリエステルを使用することが好ましい。構造単位（２）の含有量は、全構造単位の含有量に対して、２０〜３５モル％であることが好ましく、２２．５〜３２．５モル％であることがより好ましく、２５〜３０モル％であることがさらに好ましい。構造単位（２）の含有量が３５モル％を超えると、液晶性が低下する傾向があり、構造単位（２）の含有量が２０モル％未満では、溶解性が低下する傾向がある。
【００３１】
構造単位（３）としては、例えば、３−アミノフェノール、４−アミノフェノール、１，４−フェニレンジアミン、１，３−フェニレンジアミン、アミノ安息香酸由来の構造単位などが挙げられ、２種以上の構造単位が全構造単位中に含まれていてもよい。これらの構造単位の中で、反応性の観点から、４−アミノフェノール由来の構造単位を含む液晶ポリエステルを使用することが好ましい。構造単位（３）の含有量は、全構造単位の含有量に対して、２０〜３５モル％であることが好ましく、２２．５〜３２．５モル％であることがより好ましく、２５〜３０モル％であることがさらに好ましい。構造単位（３）の含有量が３５モル％を超えると、液晶性が低下する傾向があり、構造単位（３）の含有量が２０モル％未満では、溶解性が低下する傾向がある。
【００３２】
構造単位（３）は、構造単位（２）と実質的に等量用いられることが好ましい。但し、構造単位（３）の含有量を構造単位（２）の含有量に対して−１０モル％〜＋１０モル％とすることにより、液晶ポリエステルの重合度を制御することもできる。
【００３３】
本発明で使用される液晶ポリエステルの製造方法は、特に限定されない。例えば、構造単位（１）に対応する芳香族ヒドロキシ酸、構造単位（３）に対応するヒドロキシル基を有する芳香族アミン、芳香族ジアミンのフェノール性ヒドロキシル基およびアミノ基を過剰量の脂肪酸無水物によりアシル化してアシル化物を得た後、得られたアシル化物と構造単位（２）に対応する芳香族ジカルボン酸とをエステル交換（重縮合）して溶融重合する方法などが挙げられる。アシル化物としては、予めアシル化して得た脂肪酸エステルを用いてもよい（特開２００２−２２０４４４号公報、特開２００２−１４６００３号公報参照）。
【００３４】
アシル化反応においては、脂肪酸無水物の使用量は、フェノール性ヒドロキシル基とアミノ基の合計含有量に対して、１〜１．２倍当量であることが好ましく、より好ましくは１．０５〜１．１倍当量である。脂肪酸無水物の使用量が１倍当量未満では、エステル交換（重縮合）時にアシル化物や原料モノマーなどが昇華して反応系が閉塞しやすくなる傾向がある。逆に、脂肪酸無水物の使用量が１．２倍当量を超える場合には、得られる液晶ポリエステルの着色が著しくなる傾向がある。
【００３５】
アシル化反応は、１３０〜１８０℃で５分〜１０時間反応させることが好ましく、１４０〜１６０℃で１０分〜３時間反応させることがより好ましい。
【００３６】
アシル化反応に使用される脂肪酸無水物は、特に限定されないが、例えば、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、無水イソ酪酸、無水吉草酸、無水ピバル酸、無水２エチルヘキサン酸、無水モノクロル酢酸、無水ジクロル酢酸、無水トリクロル酢酸、無水モノブロモ酢酸、無水ジブロモ酢酸、無水トリブロモ酢酸、無水モノフルオロ酢酸、無水ジフルオロ酢酸、無水トリフルオロ酢酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水β−ブロモプロピオン酸などが挙げられ、これらは２種類以上を混合して用いてもよい。価格および取扱い性の観点から、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、無水イソ酪酸が好ましく、より好ましくは、無水酢酸である。
【００３７】
エステル交換においては、アシル化物のアシル基の含有量がカルボキシル基の含有量の０．８〜１．２倍当量であることが好ましい。
【００３８】
エステル交換は、１３０〜４００℃で０．１〜５０℃／分の割合で昇温しながら行なうことが好ましく、１５０〜３５０℃で０．３〜５℃／分の割合で昇温しながら行なうことがより好ましい。
【００３９】
アシル化して得た脂肪酸エステルとカルボン酸とをエステル交換させる際には、ル・シャトリエ‐ブラウンの法則（平衡移動の原理）により、平衡を移動させるため、副生する脂肪酸と未反応の脂肪酸無水物は、蒸発させるなどして系外へ留去することが好ましい。
【００４０】
なお、アシル化反応、エステル交換は、触媒の存在下に行なってもよい。この触媒としては、従来からポリエステルの重合用触媒として公知のものを使用することができ、例えば、酢酸マグネシウム、酢酸第一錫、テトラブチルチタネート、酢酸鉛、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、三酸化アンチモンなどの金属塩触媒、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン、Ｎ−メチルイミダゾールなどの有機化合物触媒などを挙げることができる。
【００４１】
これらの触媒の中で、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン、Ｎ−メチルイミダゾールなどの窒素原子を２個以上含む複素環状化合物が好ましく使用される（特開２００２−１４６００３号公報参照）。
【００４２】
この触媒は、通常、モノマー類の投入時に投入され、アシル化後も除去することは必ずしも必要ではなく、この触媒を除去しない場合には、そのままエステル交換を行なうことができる。
【００４３】
エステル交換による重縮合は、通常、溶融重合により行なわれるが、溶融重合と固層重合とを併用してもよい。固相重合は、溶融重合工程からポリマーを抜き出し、その後、粉砕してパウダー状またはフレーク状にした後、公知の固相重合方法により行うことが好ましい。具体的には、例えば、窒素などの不活性ガスの雰囲気下、２０〜３５０℃で、１〜３０時間固相状態で熱処理するという操作により、固相重合を実施することができる。この固相重合は、攪拌しながら行ってもよく、攪拌することなく静置した状態で行っても構わない。なお、適当な攪拌機構を備えることにより、溶融重合槽と固相重合槽とを同一の反応槽とすることもできる。また、こうして固相重合した後、得られた液晶ポリエステルは、公知の方法によりペレット化してもよい。
【００４４】
液晶ポリエステルの製造は、例えば、回分装置、連続装置等を用いて行うことができる。
＜溶媒＞
【００４５】
このようにして得られた液晶ポリエステルを所定の溶媒に溶解して液晶ポリエステル溶液を調製する。
【００４６】
この溶媒としては、非プロトン性溶媒であることが好ましい。溶媒としては、液晶ポリエステルが溶解するものが望ましいが、溶解しないもの（分散するもの）も使用することができる。溶媒の使用量は、特に限定されるものでなく、用途に応じて適宜選択することができるが、溶媒１００質量部に液晶ポリエステル０．０１〜１００質量部を使用することが好ましい。液晶ポリエステルが０．０１質量部未満であると、溶液粘度が低すぎて均一に塗工できない傾向があり、液晶ポリエステルが１００質量部を超えると、高粘度化する傾向がある。作業性や経済性の観点からは、溶媒１００質量部に対して、液晶ポリエステルが１〜５０質量部であることがより好ましく、２〜４０質量部であることがさらに好ましい。
【００４７】
非プロトン性溶媒としては、例えば、１−クロロブタン、クロロベンゼン、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、クロロホルム、１，１，２，２−テトラクロロエタンなどのハロゲン系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサンなどのエーテル系溶媒、アセトン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、酢酸エチルなどのエステル系溶媒、γ−ブチロラクトンなどのラクトン系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、トリエチルアミン、ピリジンなどのアミン系溶媒、アセトニトリル、サクシノニトリルなどのニトリル系溶媒、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、Ｎ−メチルピロリドンなどのアミド系溶媒、ニトロメタン、ニトロベンゼンなどのニトロ系溶媒、ジメチルスルホキシド、スルホランなどのスルフィド系溶媒、ヘキサメチルリン酸アミド、トリｎ−ブチルリン酸などのリン酸系溶媒などが挙げられる。
【００４８】
これらの中で、ハロゲン原子を含まない溶媒が環境への影響面から好ましく使用され、双極子モーメントが３以上５以下の溶媒が溶解性の観点から好ましく使用される。具体的には、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、Ｎ−メチルピロリドンなどのアミド系溶媒、γ−ブチロラクトンなどのラクトン系溶媒がより好ましく使用され、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドンがさらに好ましく使用される。
＜無機充填剤＞
【００４９】
このようにして得られた液晶ポリエステル溶液に無機充填材を添加して液状組成物を得る。無機充填材の含有量、粒径などは、特に限定されない。
【００５０】
この無機充填材としては、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のものが好ましく、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のものがさらに好ましい。このような無機充填材としては、例えば、金属酸化物、金属窒化物および金属炭化物から選ばれた１種または２種以上の化合物を使用することができる。無機フィラーは、周期律表第ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ属のそれぞれ第７列までの元素の酸化物、窒化物および炭化物から選択することが望ましい。具体的には、例えば、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化トリウム、酸化亜鉛、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などの１種類以上を使用することができる。
【００５１】
熱伝導率を高めるという観点で、無機充填材として窒化ホウ素粉末を使用することが特に望ましい。
＜他の成分＞
【００５２】
この液状組成物には、上述した無機充填剤に加えて、本発明の目的を損なわない範囲で、公知の充填材、添加剤などを含有させてもよい。
【００５３】
充填材としては、例えば、エポキシ樹脂粉末、メラミン樹脂粉末、尿素樹脂粉末、ベンゾグアナミン樹脂粉末、スチレン樹脂などの有機フィラー、シリカ、アルミナ、酸化チタン、ジルコニア、カオリン、炭酸カルシウム、燐酸カルシウムなどの無機フィラーなどが挙げられる。
【００５４】
添加剤としては、公知のカップリング剤、沈降防止剤、紫外線吸収剤、熱安定剤などが挙げられる。
【００５５】
また、この液状組成物には、本発明の目的を損なわない範囲で、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルエーテルおよびその変性物、ポリエーテルイミドなどの熱可塑性樹脂、グリシジルメタクリレートとポリエチレンの共重合体などのエラストマーなどを１種または２種以上含有させてもよい。
＜絶縁層＞
【００５６】
このようにして得られた液状組成物は、必要に応じて、フィルターなどによってろ過して、液状組成物中に含まれる微細な異物を除去した後、この液状組成物を支持体上に表面平坦かつ均一に流延し、その後、この液状組成物から溶媒を除去してフィルム化することにより、本発明の絶縁層３を形成する。
【００５７】
ここで、液状組成物の流延方法としては、例えば、ローラーコート法、ディップコート法、スプレイコート法、スピナーコート法、カーテンコート法、スロットコート法、スクリーン印刷法など各種の方法を採用することができる。
【００５８】
また、溶媒の除去方法としては、特に限定されないが、溶媒の蒸発によって行うことが好ましい。溶媒を蒸発させる方法としては、加熱、減圧、通風などの方法が挙げられる。これらの中でも、生産効率、取扱い性の点から、加熱して蒸発させることが好ましく、通風しつつ加熱して蒸発させることが一層好ましい。このときの加熱条件としては、６０〜２００℃で１０分〜２時間予備乾燥を行う工程と、２００〜４００℃で３０分〜５時間熱処理を行う工程とを含むことが好ましい。
【００５９】
この絶縁層３の厚さは、特に限定されることはないが、成膜性や機械特性の観点からは、０．５〜５００μｍであることが好ましく、熱抵抗を低く抑えるという観点からは、２００μｍ以下であることがより好ましい。
【００６０】
そして、金属基板２の表面に、この絶縁層３および銅箔５を順に積層することにより、金属基板２、絶縁層３および銅箔５からなる３層構造の金属ベース回路基板４が得られる。
【００６１】
このようにして得られた金属ベース回路基板４においては、上述したとおり、絶縁層３の材料として溶媒可溶性の液晶ポリエステルが用いられており、しかも、この液晶ポリエステルに無機充填剤が含まれているため、絶縁層３の熱伝導率を高めることができる。その結果、金属ベース回路基板４の放熱性を大幅に向上させて、この金属ベース回路基板４上のパワー半導体素子６の動作を安定させることができる。
【００６２】
このとき、パワー半導体素子６で発生した熱は、絶縁層３および金属基板２を通じて放熱される。なお、絶縁層３の厚さは任意にコントロールでき、この厚さを減少させることにより、絶縁層３の熱抵抗を一層低減することも可能である。
【００６３】
また、本発明の液状組成物は、腐食性が低く、取扱いが容易であり、この液状組成物を用いて得られる絶縁層３は、縦方向（流延方向）と横方向（流延方向に対して直角な方向）の異方性が小さく、機械的強度に優れており、また、液晶ポリエステルが本来有する高周波特性、低吸水性などの性能にも優れている。したがって、金属ベース回路基板４だけでなく、他の電子部品用の絶縁フィルムにも適している。
［発明のその他の実施の形態］
【００６４】
なお、上述した実施の形態１では、導電箔として銅箔５を用いた金属ベース回路基板４について説明した。しかし、導電性を有するものである限り、銅箔５以外の金属箔（例えば、金箔、銀箔、アルミニウム箔、ステンレス箔など）やカーボングラファイトシートその他を導電箔として代用または併用することもできる。
【００６５】
また、上述した実施の形態１では、発熱素子としてパワー半導体素子６を用いたパワーモジュール１について説明した。しかし、パワー半導体素子６以外の発熱素子（例えば、パワートランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）、ＬＳＩチップなど）を代用または併用したパワーモジュール１に本発明を同様に適用することも可能である。
【００６６】
さらに、上述した実施の形態１では、金属ベース回路基板４にパワー半導体素子６が１個だけ実装されたパワーモジュール１について説明した。しかし、パワー半導体素子６の個数は１個に限るわけではなく、複数個（２個以上）のパワー半導体素子６を実装しても構わない。
【００６７】
また、上述した実施の形態１では、封止樹脂としてシリコーン樹脂７を用いたパワーモジュール１について説明した。しかし、シリコーン樹脂７以外の封止樹脂（例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂など）を代用または併用したパワーモジュール１に本発明を同様に適用することもできる。
【実施例】
【００６８】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。
（ａ）液晶ポリエステルの製造
【００６９】
まず、攪拌装置、トルクメータ、窒素ガス導入管、温度計および還流冷却器を備えた反応器に、２−ヒドロキシ−６−ナフトエ酸１９７６ｇ（１０．５モル）、４−ヒドロキシアセトアニリド１４７４ｇ（９．７５モル）、イソフタル酸１６２０ｇ（９．７５モル）および無水酢酸２３７４ｇ（２３．２５モル）を仕込んだ。そして、反応器内を十分に窒素ガスで置換した後、窒素ガス気流下で１５分かけて１５０℃まで昇温し、この温度（１５０℃）を保持しつつ３時間還流させた。
【００７０】
その後、留出する副生酢酸および未反応の無水酢酸を留去しながら、１７０分かけて３００℃まで昇温し、トルクの上昇が認められる時点を反応終了点とみなし、内容物を取り出した。こうして取り出した内容物を室温まで冷却し、粉砕機で粉砕した後、比較的低分子量の液晶ポリエステル粉末を得た。こうして得られた液晶ポリエステル粉末について、（株）島津製作所製のフローテスター「ＣＦＴ−５００型」を用いて、流動開始温度を測定したところ、２３５℃であった。この液晶ポリエステル粉末に対して、窒素雰囲気において２２３℃で３時間の加熱処理を施すことにより、固相重合を行った。固相重合後の液晶ポリエステルの流動開始温度は２７０℃であった。
（ｂ）液晶ポリエステル溶液の調製
【００７１】
上記（ａ）で得られた液晶ポリエステル２２００ｇをＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）７８００ｇに加え、１００℃で２時間加熱して、液晶ポリエステル溶液を得た。このときの溶液粘度は３２０ｃＰであった。この溶液粘度は、東機産業（株）製のＢ型粘度計「ＴＶＬ−２０型」（ローターＮｏ．２１、回転速度５ｒｐｍ）を用いて、室温（２３℃）で測定したときの値である。
（ｃ）金属ベース回路基板の作製
【００７２】
無機充填材として、体積平均粒径０．３μｍの球状α−アルミナ粉末（住友化学（株）製の酸化アルミニウム「スミコランダムＡＡ−０．３」）を９体積％、体積平均粒径１．５μｍの球状α−アルミナ粉末（住友化学（株）製の酸化アルミニウム「スミコランダムＡＡ−１．５」）を１４体積％、体積平均粒径１８μｍの球状α−アルミナ粉末（住友化学（株）製の酸化アルミニウム「スミコランダムＡＡ−１８」）を７７体積％の割合で用いた。
【００７３】
上記（ｂ）で得た液晶ポリエステル溶液（固形分２２質量％）に、この無機充填材を加えて、液状組成物を得た。ここで、無機充填材の充填量は、液晶ポリエステルおよび無機充填材の合計含有量に対して、７０体積％とした。
【００７４】
次に、こうして得られた液状組成物を遠心脱泡機で５分間攪拌した後、厚さ７０μｍの銅箔上に厚さ２００μｍとなるように塗布した。続いて、これを１００℃で２０分間乾燥させた後、３２０℃で３時間熱処理した。これにより、表面に銅箔が形成された絶縁層を得た。
【００７５】
その後、熱伝導率１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さ２ｍｍのアルミニウム合金板（金属基板）上に、上記の絶縁層を積層した。このとき、絶縁層の裏面（銅箔が形成されていない面）が、アルミニウム合金板の表面と接するようにした。そして、圧力１９．６ＭＰａ（２００ｋｇｆ／ｃｍ2 ）、温度３４０℃で２０分間の加熱処理を行うことにより、これらアルミニウム合金板と絶縁層とを熱接着して、金属ベース回路基板を作製した。
【００７６】
このようにして作製した金属ベース回路基板は、絶縁層の熱伝導率が約８．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。これに対して、従来のエポキシ樹脂製の絶縁層の熱伝導率は５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。この結果、従来品と比較して絶縁層の熱伝導率を大幅に向上させ、金属ベース回路基板の放熱性を大幅に向上させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、例えば、自動車や冷蔵庫など各種の製品に組み込まれるパワーエレクトロニクス機器に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１……パワーモジュール
２……金属基板
３……絶縁層
４……金属ベース回路基板
５……銅箔（導電箔）
６……パワー半導体素子（発熱素子）
７……シリコーン樹脂（封止樹脂）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属基板、絶縁層および導電箔を具備する金属ベース回路基板と、この金属ベース回路基板を用いたパワーモジュールとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の高性能化、小型化の進展に伴い、半導体の高密度・高機能化が要求される傾向にある。こうした流れの中、パワー半導体素子などの発熱素子を内部に有するパワーモジュールでは、その発熱素子に大電流が流れて温度が上昇するため、発熱素子の動作が不安定になる恐れがある。
【０００３】
そこで、このような不都合に対処すべく、発熱素子を実装するための金属ベース回路基板において、エポキシ樹脂などからなる絶縁層に無機充填剤（アルミナ、窒化ホウ素など）を添加して絶縁層の熱伝導率を高めることにより、金属ベース回路基板の放熱性を改善しようとする技術が提案されていた（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１７０９１１号公報（段落〔０００３〕〔００２４〕〔００２５〕の欄）
【特許文献２】特開２００８−２１８９０７号公報（段落〔００１３〕の欄）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、絶縁層に対する無機充填剤の添加量には自ずと上限があるため、絶縁層の熱伝導率の向上、ひいては金属ベース回路基板の放熱性の向上にも限界があった。
【０００６】
そこで、本発明は、このような事情に鑑み、放熱性を大幅に向上させることが可能な金属ベース回路基板を提供することを第１の目的とし、また、このような金属ベース回路基板を用いることにより、発熱素子の動作を安定させることが可能なパワーモジュールを提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的を達成するため、本発明者は、絶縁層の熱伝導率を高めるべく、従来の絶縁層の材料（エポキシ樹脂など）より熱伝導率が高く、しかも無機充填剤の高充填が可能な溶媒可溶性の液晶ポリエステルを絶縁層の材料として採用することに着目し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の発明は、金属基板と、この金属基板上に設けられた絶縁層と、この絶縁層上に設けられた回路形成用の導電箔とを具備し、パワーモジュールに適用される金属ベース回路基板であって、前記絶縁層が、溶媒可溶性の液晶ポリエステルから形成されている金属ベース回路基板としたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記液晶ポリエステルが、下式（１）で示される構造単位と、下式（２）で示される構造単位と、下式（３）で示される構造単位とを有し、全構造単位の合計含有量に対して、下式（１）で示される構造単位の含有量が３０〜６０モル％、下式（２）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％、下式（３）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％の液晶ポリエステルであることを特徴とする。
（１）−Ｏ−Ａｒ1 −ＣＯ−
（２）−ＣＯ−Ａｒ2 −ＣＯ−
（３）−Ｘ−Ａｒ3 −Ｙ−
（式中、Ａｒ1 は、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ａｒ2 は、フェニレン基、ナフチレン基または下式（４）で示される基を表し、Ａｒ3 は、フェニレン基または下式（４）で示される基を表し、ＸおよびＹは、それぞれ独立に、ＯまたはＮＨを表す。なお、Ａｒ1 、Ａｒ2 およびＡｒ3 の芳香環に結合している水素原子は、ハロゲン原子、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。）
（４）−Ａｒ11−Ｚ−Ａｒ12−
（式中、Ａｒ11、Ａｒ12は、それぞれ独立に、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ｚは、Ｏ、ＣＯまたはＳＯ2 を表す。）
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の構成に加え、前記絶縁層に無機充填剤が含まれていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の構成に加え、前記無機充填剤は、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属ベース回路基板に発熱素子が実装されて封止樹脂で封止されているパワーモジュールとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、溶媒可溶性の液晶ポリエステルから絶縁層を形成することにより、放熱性を大幅に向上させることが可能な金属ベース回路基板を提供することができる。
【００１４】
また、このような金属ベース回路基板を用いることにより、発熱素子の動作を安定させることが可能なパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］
【００１７】
図１には、本発明の実施の形態１を示す。この実施の形態１では、導電箔の一例として銅箔５を用い、発熱素子の一例としてパワー半導体素子６を用い、封止樹脂の一例としてシリコーン樹脂７を用いている。
＜パワーモジュールの構成＞
【００１８】
この実施の形態１に係るパワーモジュール１は、図１に示すように、金属ベース回路基板４を有しており、この金属ベース回路基板４は、金属基板２、絶縁層３および銅箔５から構成されている。ここで、金属基板２の表面（図１上面）には絶縁層３が積層されており、絶縁層３の表面（図１上面）には銅箔５が積層されている。また、金属ベース回路基板４には、パワー半導体素子６が表面実装されてゲル状のシリコーン樹脂７で封止されている。さらに、シリコーン樹脂７の上側には樹脂モールド（図示せず）が実施されている。
【００１９】
ここで、金属基板２は、例えば、アルミニウム、銅、ステンレスまたはこれらの合金などからなり、従来の金属ベース回路基板の金属基板と同じものを使用することができる。この金属基板２の厚さは、例えば０．５〜５ｍｍである。なお、金属基板２は平板状のものであっても、任意の曲面状に曲げ加工されたものであってもよい。
【００２０】
また、絶縁層３は、無機充填材（無機フィラー）を含有する溶媒可溶性の液晶ポリエステルから形成されている。この液晶ポリエステルおよび無機充填材については後述する。
【００２１】
さらに、銅箔５には、例えばエッチング等により、回路の配線パターンが形成される。そして、この配線パターンを介して、金属ベース回路基板４上にパワー半導体素子６がはんだ付けされている。この銅箔５の厚さは、例えば３０〜５００μｍである。
＜液晶ポリエステル＞
【００２２】
絶縁層３を構成する液晶ポリエステルは、溶融時に光学異方性を示し、４５０℃以下の温度で異方性溶融体を形成するものである。この液晶ポリエステルを溶媒に溶解して得た溶液（液晶ポリエステル溶液）を用いて、絶縁層３を形成することができる。
【００２３】
この液晶ポリエステルは、下式（１）で示される構造単位（以下、構造単位（１）という。）と、下式（２）で示される構造単位（以下、構造単位（２）という。）と、下式（３）で示される構造単位（以下、構造単位（３）という。）とを有し、全構造単位の合計含有量に対して、下式（１）で示される構造単位の含有量が３０〜６０モル％、下式（２）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％、下式（３）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％の液晶ポリエステルであることが好ましい。
（１）−Ｏ−Ａｒ1 −ＣＯ−
（２）−ＣＯ−Ａｒ2 −ＣＯ−
（３）−Ｘ−Ａｒ3 −Ｙ−
（式中、Ａｒ1 は、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ａｒ2 は、フェニレン基、ナフチレン基または下式（４）で示される基を表し、Ａｒ3 は、フェニレン基または下式（４）で示される基を表し、ＸおよびＹは、それぞれ独立に、ＯまたはＮＨを表す。なお、Ａｒ1 、Ａｒ2 およびＡｒ3 の芳香環に結合している水素原子は、ハロゲン原子、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。）
（４）−Ａｒ11−Ｚ−Ａｒ12−
（式中、Ａｒ11、Ａｒ12は、それぞれ独立に、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ｚは、Ｏ、ＣＯまたはＳＯ2 を表す。）
【００２４】
構造単位（１）は芳香族ヒドロキシ酸由来の構造単位であり、構造単位（２）は芳香族ジカルボン酸由来の構造単位であり、構造単位（３）は芳香族ジアミン、ヒドロキシル基（水酸基）を有する芳香族アミン、芳香族アミノ酸由来の構造単位であるが、これらの代わりに、それらのエステル形成性誘導体を用いてもよい。
【００２５】
カルボン酸のエステル形成性誘導体としては、例えば、カルボキシル基がポリエステルを生成する反応を促進するような酸塩化物、酸無水物などの反応活性が高い誘導体となっているもの、カルボキシル基がエステル交換反応によりポリエステルを生成するようなアルコール類やエチレングリコールなどとエステルを形成しているものなどが挙げられる。
【００２６】
フェノール性ヒドロキシル基のエステル形成性誘導体としては、例えば、エステル交換反応によりポリエステルを生成するように、フェノール性ヒドロキシル基がカルボン酸類とエステルを形成しているものなどが挙げられる。
【００２７】
アミノ基のエステル形成性誘導体としては、例えば、エステル交換反応によりポリエステルを生成するように、アミノ基がカルボン酸類とエステルを形成しているものなどが挙げられる。
【００２８】
本発明に使用される液晶ポリエステルの繰り返し構造単位としては、下記のものを例示することができるが、これらに限定されるものではない。
【００２９】
構造単位（１）としては、例えば、ｐ−ヒドロキシ安息香酸、２−ヒドロキシ−６−ナフトエ酸、４−ヒドロキシ−４’−ビフェニルカルボン酸由来の構造単位などが挙げられ、２種以上の構造単位が全構造単位中に含まれていてもよい。これらの構造単位の中で、２−ヒドロキシ−６−ナフトエ酸由来の構造単位を含む液晶ポリエステルを使用することが好ましい。構造単位（１）の含有量は、全構造単位の含有量に対して、３０〜６０モル％であることが好ましく、４０〜５５モル％であることがより好ましく、４５〜５０モル％であることがさらに好ましい。構造単位（１）の含有量が６０モル％を超えると、溶解性が著しく低下する傾向があり、構造単位（１）の含有量が３０モル％未満では、液晶性を示さない傾向がある。
【００３０】
構造単位（２）としては、例えば、テレフタル酸、イソフタル酸、２，６−ナフタレンジカルボン酸由来の構造単位などが挙げられ、２種以上の構造単位が全構造単位中に含まれていてもよい。これらの構造単位の中で、溶解性の観点から、イソフタル酸由来の構造単位を含む液晶ポリエステルを使用することが好ましい。構造単位（２）の含有量は、全構造単位の含有量に対して、２０〜３５モル％であることが好ましく、２２．５〜３２．５モル％であることがより好ましく、２５〜３０モル％であることがさらに好ましい。構造単位（２）の含有量が３５モル％を超えると、液晶性が低下する傾向があり、構造単位（２）の含有量が２０モル％未満では、溶解性が低下する傾向がある。
【００３１】
構造単位（３）としては、例えば、３−アミノフェノール、４−アミノフェノール、１，４−フェニレンジアミン、１，３−フェニレンジアミン、アミノ安息香酸由来の構造単位などが挙げられ、２種以上の構造単位が全構造単位中に含まれていてもよい。これらの構造単位の中で、反応性の観点から、４−アミノフェノール由来の構造単位を含む液晶ポリエステルを使用することが好ましい。構造単位（３）の含有量は、全構造単位の含有量に対して、２０〜３５モル％であることが好ましく、２２．５〜３２．５モル％であることがより好ましく、２５〜３０モル％であることがさらに好ましい。構造単位（３）の含有量が３５モル％を超えると、液晶性が低下する傾向があり、構造単位（３）の含有量が２０モル％未満では、溶解性が低下する傾向がある。
【００３２】
構造単位（３）は、構造単位（２）と実質的に等量用いられることが好ましい。但し、構造単位（３）の含有量を構造単位（２）の含有量に対して−１０モル％〜＋１０モル％とすることにより、液晶ポリエステルの重合度を制御することもできる。
【００３３】
本発明で使用される液晶ポリエステルの製造方法は、特に限定されない。例えば、構造単位（１）に対応する芳香族ヒドロキシ酸、構造単位（３）に対応するヒドロキシル基を有する芳香族アミン、芳香族ジアミンのフェノール性ヒドロキシル基およびアミノ基を過剰量の脂肪酸無水物によりアシル化してアシル化物を得た後、得られたアシル化物と構造単位（２）に対応する芳香族ジカルボン酸とをエステル交換（重縮合）して溶融重合する方法などが挙げられる。アシル化物としては、予めアシル化して得た脂肪酸エステルを用いてもよい（特開２００２−２２０４４４号公報、特開２００２−１４６００３号公報参照）。
【００３４】
アシル化反応においては、脂肪酸無水物の使用量は、フェノール性ヒドロキシル基とアミノ基の合計含有量に対して、１〜１．２倍当量であることが好ましく、より好ましくは１．０５〜１．１倍当量である。脂肪酸無水物の使用量が１倍当量未満では、エステル交換（重縮合）時にアシル化物や原料モノマーなどが昇華して反応系が閉塞しやすくなる傾向がある。逆に、脂肪酸無水物の使用量が１．２倍当量を超える場合には、得られる液晶ポリエステルの着色が著しくなる傾向がある。
【００３５】
アシル化反応は、１３０〜１８０℃で５分〜１０時間反応させることが好ましく、１４０〜１６０℃で１０分〜３時間反応させることがより好ましい。
【００３６】
アシル化反応に使用される脂肪酸無水物は、特に限定されないが、例えば、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、無水イソ酪酸、無水吉草酸、無水ピバル酸、無水２エチルヘキサン酸、無水モノクロル酢酸、無水ジクロル酢酸、無水トリクロル酢酸、無水モノブロモ酢酸、無水ジブロモ酢酸、無水トリブロモ酢酸、無水モノフルオロ酢酸、無水ジフルオロ酢酸、無水トリフルオロ酢酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水β−ブロモプロピオン酸などが挙げられ、これらは２種類以上を混合して用いてもよい。価格および取扱い性の観点から、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、無水イソ酪酸が好ましく、より好ましくは、無水酢酸である。
【００３７】
エステル交換においては、アシル化物のアシル基の含有量がカルボキシル基の含有量の０．８〜１．２倍当量であることが好ましい。
【００３８】
エステル交換は、１３０〜４００℃で０．１〜５０℃／分の割合で昇温しながら行なうことが好ましく、１５０〜３５０℃で０．３〜５℃／分の割合で昇温しながら行なうことがより好ましい。
【００３９】
アシル化して得た脂肪酸エステルとカルボン酸とをエステル交換させる際には、ル・シャトリエ‐ブラウンの法則（平衡移動の原理）により、平衡を移動させるため、副生する脂肪酸と未反応の脂肪酸無水物は、蒸発させるなどして系外へ留去することが好ましい。
【００４０】
なお、アシル化反応、エステル交換は、触媒の存在下に行なってもよい。この触媒としては、従来からポリエステルの重合用触媒として公知のものを使用することができ、例えば、酢酸マグネシウム、酢酸第一錫、テトラブチルチタネート、酢酸鉛、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、三酸化アンチモンなどの金属塩触媒、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン、Ｎ−メチルイミダゾールなどの有機化合物触媒などを挙げることができる。
【００４１】
これらの触媒の中で、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン、Ｎ−メチルイミダゾールなどの窒素原子を２個以上含む複素環状化合物が好ましく使用される（特開２００２−１４６００３号公報参照）。
【００４２】
この触媒は、通常、モノマー類の投入時に投入され、アシル化後も除去することは必ずしも必要ではなく、この触媒を除去しない場合には、そのままエステル交換を行なうことができる。
【００４３】
エステル交換による重縮合は、通常、溶融重合により行なわれるが、溶融重合と固層重合とを併用してもよい。固相重合は、溶融重合工程からポリマーを抜き出し、その後、粉砕してパウダー状またはフレーク状にした後、公知の固相重合方法により行うことが好ましい。具体的には、例えば、窒素などの不活性ガスの雰囲気下、２０〜３５０℃で、１〜３０時間固相状態で熱処理するという操作により、固相重合を実施することができる。この固相重合は、攪拌しながら行ってもよく、攪拌することなく静置した状態で行っても構わない。なお、適当な攪拌機構を備えることにより、溶融重合槽と固相重合槽とを同一の反応槽とすることもできる。また、こうして固相重合した後、得られた液晶ポリエステルは、公知の方法によりペレット化してもよい。
【００４４】
液晶ポリエステルの製造は、例えば、回分装置、連続装置等を用いて行うことができる。
＜溶媒＞
【００４５】
このようにして得られた液晶ポリエステルを所定の溶媒に溶解して液晶ポリエステル溶液を調製する。
【００４６】
この溶媒としては、非プロトン性溶媒であることが好ましい。溶媒としては、液晶ポリエステルが溶解するものが望ましいが、溶解しないもの（分散するもの）も使用することができる。溶媒の使用量は、特に限定されるものでなく、用途に応じて適宜選択することができるが、溶媒１００質量部に液晶ポリエステル０．０１〜１００質量部を使用することが好ましい。液晶ポリエステルが０．０１質量部未満であると、溶液粘度が低すぎて均一に塗工できない傾向があり、液晶ポリエステルが１００質量部を超えると、高粘度化する傾向がある。作業性や経済性の観点からは、溶媒１００質量部に対して、液晶ポリエステルが１〜５０質量部であることがより好ましく、２〜４０質量部であることがさらに好ましい。
【００４７】
非プロトン性溶媒としては、例えば、１−クロロブタン、クロロベンゼン、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、クロロホルム、１，１，２，２−テトラクロロエタンなどのハロゲン系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサンなどのエーテル系溶媒、アセトン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、酢酸エチルなどのエステル系溶媒、γ−ブチロラクトンなどのラクトン系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、トリエチルアミン、ピリジンなどのアミン系溶媒、アセトニトリル、サクシノニトリルなどのニトリル系溶媒、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、Ｎ−メチルピロリドンなどのアミド系溶媒、ニトロメタン、ニトロベンゼンなどのニトロ系溶媒、ジメチルスルホキシド、スルホランなどのスルフィド系溶媒、ヘキサメチルリン酸アミド、トリｎ−ブチルリン酸などのリン酸系溶媒などが挙げられる。
【００４８】
これらの中で、ハロゲン原子を含まない溶媒が環境への影響面から好ましく使用され、双極子モーメントが３以上５以下の溶媒が溶解性の観点から好ましく使用される。具体的には、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、Ｎ−メチルピロリドンなどのアミド系溶媒、γ−ブチロラクトンなどのラクトン系溶媒がより好ましく使用され、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドンがさらに好ましく使用される。
＜無機充填剤＞
【００４９】
このようにして得られた液晶ポリエステル溶液に無機充填材を添加して液状組成物を得る。無機充填材の含有量、粒径などは、特に限定されない。
【００５０】
この無機充填材としては、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のものが好ましく、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のものがさらに好ましい。このような無機充填材としては、例えば、金属酸化物、金属窒化物および金属炭化物から選ばれた１種または２種以上の化合物を使用することができる。無機フィラーは、周期律表第ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ属のそれぞれ第７列までの元素の酸化物、窒化物および炭化物から選択することが望ましい。具体的には、例えば、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化トリウム、酸化亜鉛、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などの１種類以上を使用することができる。
【００５１】
熱伝導率を高めるという観点で、無機充填材として窒化ホウ素粉末を使用することが特に望ましい。
＜他の成分＞
【００５２】
この液状組成物には、上述した無機充填剤に加えて、本発明の目的を損なわない範囲で、公知の充填材、添加剤などを含有させてもよい。
【００５３】
充填材としては、例えば、エポキシ樹脂粉末、メラミン樹脂粉末、尿素樹脂粉末、ベンゾグアナミン樹脂粉末、スチレン樹脂などの有機フィラー、シリカ、アルミナ、酸化チタン、ジルコニア、カオリン、炭酸カルシウム、燐酸カルシウムなどの無機フィラーなどが挙げられる。
【００５４】
添加剤としては、公知のカップリング剤、沈降防止剤、紫外線吸収剤、熱安定剤などが挙げられる。
【００５５】
また、この液状組成物には、本発明の目的を損なわない範囲で、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルエーテルおよびその変性物、ポリエーテルイミドなどの熱可塑性樹脂、グリシジルメタクリレートとポリエチレンの共重合体などのエラストマーなどを１種または２種以上含有させてもよい。
＜絶縁層＞
【００５６】
このようにして得られた液状組成物は、必要に応じて、フィルターなどによってろ過して、液状組成物中に含まれる微細な異物を除去した後、この液状組成物を支持体上に表面平坦かつ均一に流延し、その後、この液状組成物から溶媒を除去してフィルム化することにより、本発明の絶縁層３を形成する。
【００５７】
ここで、液状組成物の流延方法としては、例えば、ローラーコート法、ディップコート法、スプレイコート法、スピナーコート法、カーテンコート法、スロットコート法、スクリーン印刷法など各種の方法を採用することができる。
【００５８】
また、溶媒の除去方法としては、特に限定されないが、溶媒の蒸発によって行うことが好ましい。溶媒を蒸発させる方法としては、加熱、減圧、通風などの方法が挙げられる。これらの中でも、生産効率、取扱い性の点から、加熱して蒸発させることが好ましく、通風しつつ加熱して蒸発させることが一層好ましい。このときの加熱条件としては、６０〜２００℃で１０分〜２時間予備乾燥を行う工程と、２００〜４００℃で３０分〜５時間熱処理を行う工程とを含むことが好ましい。
【００５９】
この絶縁層３の厚さは、特に限定されることはないが、成膜性や機械特性の観点からは、０．５〜５００μｍであることが好ましく、熱抵抗を低く抑えるという観点からは、２００μｍ以下であることがより好ましい。
【００６０】
そして、金属基板２の表面に、この絶縁層３および銅箔５を順に積層することにより、金属基板２、絶縁層３および銅箔５からなる３層構造の金属ベース回路基板４が得られる。
【００６１】
このようにして得られた金属ベース回路基板４においては、上述したとおり、絶縁層３の材料として溶媒可溶性の液晶ポリエステルが用いられており、しかも、この液晶ポリエステルに無機充填剤が含まれているため、絶縁層３の熱伝導率を高めることができる。その結果、金属ベース回路基板４の放熱性を大幅に向上させて、この金属ベース回路基板４上のパワー半導体素子６の動作を安定させることができる。
【００６２】
このとき、パワー半導体素子６で発生した熱は、絶縁層３および金属基板２を通じて放熱される。なお、絶縁層３の厚さは任意にコントロールでき、この厚さを減少させることにより、絶縁層３の熱抵抗を一層低減することも可能である。
【００６３】
また、本発明の液状組成物は、腐食性が低く、取扱いが容易であり、この液状組成物を用いて得られる絶縁層３は、縦方向（流延方向）と横方向（流延方向に対して直角な方向）の異方性が小さく、機械的強度に優れており、また、液晶ポリエステルが本来有する高周波特性、低吸水性などの性能にも優れている。したがって、金属ベース回路基板４だけでなく、他の電子部品用の絶縁フィルムにも適している。
［発明のその他の実施の形態］
【００６４】
なお、上述した実施の形態１では、導電箔として銅箔５を用いた金属ベース回路基板４について説明した。しかし、導電性を有するものである限り、銅箔５以外の金属箔（例えば、金箔、銀箔、アルミニウム箔、ステンレス箔など）やカーボングラファイトシートその他を導電箔として代用または併用することもできる。
【００６５】
また、上述した実施の形態１では、発熱素子としてパワー半導体素子６を用いたパワーモジュール１について説明した。しかし、パワー半導体素子６以外の発熱素子（例えば、パワートランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）、ＬＳＩチップなど）を代用または併用したパワーモジュール１に本発明を同様に適用することも可能である。
【００６６】
さらに、上述した実施の形態１では、金属ベース回路基板４にパワー半導体素子６が１個だけ実装されたパワーモジュール１について説明した。しかし、パワー半導体素子６の個数は１個に限るわけではなく、複数個（２個以上）のパワー半導体素子６を実装しても構わない。
【００６７】
また、上述した実施の形態１では、封止樹脂としてシリコーン樹脂７を用いたパワーモジュール１について説明した。しかし、シリコーン樹脂７以外の封止樹脂（例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂など）を代用または併用したパワーモジュール１に本発明を同様に適用することもできる。
【実施例】
【００６８】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。
（ａ）液晶ポリエステルの製造
【００６９】
まず、攪拌装置、トルクメータ、窒素ガス導入管、温度計および還流冷却器を備えた反応器に、２−ヒドロキシ−６−ナフトエ酸１９７６ｇ（１０．５モル）、４−ヒドロキシアセトアニリド１４７４ｇ（９．７５モル）、イソフタル酸１６２０ｇ（９．７５モル）および無水酢酸２３７４ｇ（２３．２５モル）を仕込んだ。そして、反応器内を十分に窒素ガスで置換した後、窒素ガス気流下で１５分かけて１５０℃まで昇温し、この温度（１５０℃）を保持しつつ３時間還流させた。
【００７０】
その後、留出する副生酢酸および未反応の無水酢酸を留去しながら、１７０分かけて３００℃まで昇温し、トルクの上昇が認められる時点を反応終了点とみなし、内容物を取り出した。こうして取り出した内容物を室温まで冷却し、粉砕機で粉砕した後、比較的低分子量の液晶ポリエステル粉末を得た。こうして得られた液晶ポリエステル粉末について、（株）島津製作所製のフローテスター「ＣＦＴ−５００型」を用いて、流動開始温度を測定したところ、２３５℃であった。この液晶ポリエステル粉末に対して、窒素雰囲気において２２３℃で３時間の加熱処理を施すことにより、固相重合を行った。固相重合後の液晶ポリエステルの流動開始温度は２７０℃であった。
（ｂ）液晶ポリエステル溶液の調製
【００７１】
上記（ａ）で得られた液晶ポリエステル２２００ｇをＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）７８００ｇに加え、１００℃で２時間加熱して、液晶ポリエステル溶液を得た。このときの溶液粘度は３２０ｃＰであった。この溶液粘度は、東機産業（株）製のＢ型粘度計「ＴＶＬ−２０型」（ローターＮｏ．２１、回転速度５ｒｐｍ）を用いて、室温（２３℃）で測定したときの値である。
（ｃ）金属ベース回路基板の作製
【００７２】
無機充填材として、体積平均粒径０．３μｍの球状α−アルミナ粉末（住友化学（株）製の酸化アルミニウム「スミコランダムＡＡ−０．３」）を９体積％、体積平均粒径１．５μｍの球状α−アルミナ粉末（住友化学（株）製の酸化アルミニウム「スミコランダムＡＡ−１．５」）を１４体積％、体積平均粒径１８μｍの球状α−アルミナ粉末（住友化学（株）製の酸化アルミニウム「スミコランダムＡＡ−１８」）を７７体積％の割合で用いた。
【００７３】
上記（ｂ）で得た液晶ポリエステル溶液（固形分２２質量％）に、この無機充填材を加えて、液状組成物を得た。ここで、無機充填材の充填量は、液晶ポリエステルおよび無機充填材の合計含有量に対して、７０体積％とした。
【００７４】
次に、こうして得られた液状組成物を遠心脱泡機で５分間攪拌した後、厚さ７０μｍの銅箔上に厚さ２００μｍとなるように塗布した。続いて、これを１００℃で２０分間乾燥させた後、３２０℃で３時間熱処理した。これにより、表面に銅箔が形成された絶縁層を得た。
【００７５】
その後、熱伝導率１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さ２ｍｍのアルミニウム合金板（金属基板）上に、上記の絶縁層を積層した。このとき、絶縁層の裏面（銅箔が形成されていない面）が、アルミニウム合金板の表面と接するようにした。そして、圧力１９．６ＭＰａ（２００ｋｇｆ／ｃｍ2 ）、温度３４０℃で２０分間の加熱処理を行うことにより、これらアルミニウム合金板と絶縁層とを熱接着して、金属ベース回路基板を作製した。
【００７６】
このようにして作製した金属ベース回路基板は、絶縁層の熱伝導率が約８．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。これに対して、従来のエポキシ樹脂製の絶縁層の熱伝導率は５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。この結果、従来品と比較して絶縁層の熱伝導率を大幅に向上させ、金属ベース回路基板の放熱性を大幅に向上させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、例えば、自動車や冷蔵庫など各種の製品に組み込まれるパワーエレクトロニクス機器に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１……パワーモジュール
２……金属基板
３……絶縁層
４……金属ベース回路基板
５……銅箔（導電箔）
６……パワー半導体素子（発熱素子）
７……シリコーン樹脂（封止樹脂）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板と、この金属基板上に設けられた絶縁層と、この絶縁層上に設けられた回路形成用の導電箔とを具備し、パワーモジュールに適用される金属ベース回路基板であって、
前記絶縁層が、溶媒可溶性の液晶ポリエステルから形成されていることを特徴とする金属ベース回路基板。
【請求項２】
前記液晶ポリエステルが、下式（１）で示される構造単位と、下式（２）で示される構造単位と、下式（３）で示される構造単位とを有し、全構造単位の合計含有量に対して、下式（１）で示される構造単位の含有量が３０〜６０モル％、下式（２）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％、下式（３）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％の液晶ポリエステルであることを特徴とする請求項１に記載の金属ベース回路基板。
（１）−Ｏ−Ａｒ1 −ＣＯ−
（２）−ＣＯ−Ａｒ2 −ＣＯ−
（３）−Ｘ−Ａｒ3 −Ｙ−
（式中、Ａｒ1 は、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ａｒ2 は、フェニレン基、ナフチレン基または下式（４）で示される基を表し、Ａｒ3 は、フェニレン基または下式（４）で示される基を表し、ＸおよびＹは、それぞれ独立に、ＯまたはＮＨを表す。なお、Ａｒ1 、Ａｒ2 およびＡｒ3 の芳香環に結合している水素原子は、ハロゲン原子、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。）
（４）−Ａｒ11−Ｚ−Ａｒ12−
（式中、Ａｒ11、Ａｒ12は、それぞれ独立に、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ｚは、Ｏ、ＣＯまたはＳＯ2 を表す。）
【請求項３】
前記絶縁層に無機充填剤が含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属ベース回路基板。
【請求項４】
前記無機充填剤は、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項３に記載の金属ベース回路基板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の金属ベース回路基板に発熱素子が実装されて封止樹脂で封止されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１】
金属基板と、この金属基板上に設けられた絶縁層と、この絶縁層上に設けられた回路形成用の導電箔とを具備し、パワーモジュールに適用される金属ベース回路基板であって、
前記絶縁層が、溶媒可溶性の液晶ポリエステルから形成されていることを特徴とする金属ベース回路基板。
【請求項２】
前記液晶ポリエステルが、下式（１）で示される構造単位と、下式（２）で示される構造単位と、下式（３）で示される構造単位とを有し、全構造単位の合計含有量に対して、下式（１）で示される構造単位の含有量が３０〜６０モル％、下式（２）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％、下式（３）で示される構造単位の含有量が２０〜３５モル％の液晶ポリエステルであることを特徴とする請求項１に記載の金属ベース回路基板。
（１）−Ｏ−Ａｒ1 −ＣＯ−
（２）−ＣＯ−Ａｒ2 −ＣＯ−
（３）−Ｘ−Ａｒ3 −Ｙ−
（式中、Ａｒ1 は、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ａｒ2 は、フェニレン基、ナフチレン基または下式（４）で示される基を表し、Ａｒ3 は、フェニレン基または下式（４）で示される基を表し、ＸおよびＹは、それぞれ独立に、ＯまたはＮＨを表す。なお、Ａｒ1 、Ａｒ2 およびＡｒ3 の芳香環に結合している水素原子は、ハロゲン原子、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。）
（４）−Ａｒ11−Ｚ−Ａｒ12−
（式中、Ａｒ11、Ａｒ12は、それぞれ独立に、フェニレン基またはナフチレン基を表し、Ｚは、Ｏ、ＣＯまたはＳＯ2 を表す。）
【請求項３】
前記絶縁層に無機充填剤が含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属ベース回路基板。
【請求項４】
前記無機充填剤は、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項３に記載の金属ベース回路基板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の金属ベース回路基板に発熱素子が実装されて封止樹脂で封止されていることを特徴とするパワーモジュール。
【図１】
【公開番号】特開２０１１−１８１８３３（Ｐ２０１１−１８１８３３Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４６８７７（Ｐ２０１０−４６８７７）
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
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