JP2005252144A - 金属ベース回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】同一回路基板上においても、発熱部品からの放熱を遮蔽することにより、部分路基板特性を変化できるように工夫することにより、更に多様な種類の半導体素子・電子部品・電気部品等を搭載可能とする金属ベース回路基板を提供する。
【解決手段】金属板と、前記金属板上に絶縁層を介して設けられた回路と、前記回路上に実装される複数の半導体と、からなる混成集積回路に用いられる金属ベース回路基板であって、少なくとも一つの半導体を搭載する回路部分が他の半導体を搭載する回路部分と熱的に遮蔽されるように、前記回路の間の金属板に幅２ｍｍ以上の窪み部分を設けていることを特徴とする金属ベース回路基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば出力用半導体と制御用半導体とからなる混成集積回路に好適な金属ベース回路基板に関する。

金属板上に無機フィラ−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（特許文献１）。
特開平６−０４４８２４号公報。

これらの回路基板に関しては、半導体素子の高集積化により、出力用半導体素子等が小型化され、同一回路基板上にさまざまな種類の半導体素子をはじめとして抵抗体チップ等をも搭載するという手法が主流となってきている。しかし、それぞれの半導体素子の距離が近接になるにつれ、各々から発せられる熱が干渉しあい、素子の寿命を縮めてしまうという問題があった。

本発明は、従来技術におけるかかる問題点に鑑みてなされたものであって、最近の高密度な実装形態においても様々な半導体素子間の熱的干渉を抑え、それぞれの素子の寿命を確保することを目的としている。

即ち、本発明は、金属板と、前記金属板上に絶縁層を介して設けられた回路と、前記回路上に実装される複数の半導体と、からなる混成集積回路に用いられる金属ベース回路基板であって、少なくとも一つの半導体を搭載する回路部分が他の半導体を搭載する回路部分と熱的に遮蔽されるように、前記回路の間の金属板に幅２ｍｍ以上の窪み部分を設けていることを特徴とする金属ベース回路基板である。

また、本発明は、金属板上の回路形成側の面に窪み部分が設けられ、窪み部分の最大深さが金属板の厚みに対して１０〜５０％であることを特徴とする前記の金属ベース回路基板であり、好ましくは、窪み部分の垂直方向から眺めた大きさが、金属板の面積の１０〜４０％であることを特徴とする前記の金属ベース回路基板である。

更に、本発明は、金属板上の回路形成側とは反対側の面に窪み部分が設けられ、窪み部分の最大深さが金属板の厚みに対して１０〜５０％であることを特徴とする前記の金属ベース回路基板であり、好ましくは、窪み部分の垂直方向から眺めた大きさが、金属板の面積の１０〜９０％であることを特徴とする前記の金属ベース回路基板である。

本発明の金属ベース回路基板は、前記構造を有しているので、基板上に実装される各々の半導体素子から発せられる熱が干渉しあい、素子の寿命を縮めてしまうという問題が解消されるので、半導体素子の高集積化が可能となり、同一回路基板上にさまざまな種類の半導体素子をはじめとして抵抗体チップ等をも搭載するという手法を採用することができる。

以下、図を用いて本発明を説明する。

図１、図２は、本発明に係る金属ベース回路基板の例を示したものである。

本発明の金属ベース回路基板は、金属板１に絶縁材３の層を介して回路４が設けられた構造で、回路４は複数の半導体が搭載されて混成集積回路を形成することになるが、少なくとも一つの半導体を搭載する回路が他の半導体を搭載する回路と窪み部分２により熱的に遮断されていること、そして前記窪み部分の幅が２ｍｍ以上であることを特徴としている。

そして、本発明に於いて、金属板１は、熱伝導性に優れた材質のものであればどのようなものであっても構わないが、一般的には、アルミニウム、アルミニウム合金、銅及び銅合金が高熱伝導であることから好ましく選択される。また、金属板の厚みとしては、特に制限はないが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍが一般的に用いられる。

本発明に於いて、金属板１の少なくとも片面に従来公知の加工技術をもって窪み部２を形成する。つまり、加工方法はどのような方法であっても構わないし、前記窪み部は金属板上のいずれかの片面に窪み部分を設けていても、また、両面に設けていても構わない。尚、金属板内部に空洞部分を設けた場合であっても本発明の目的・効果を達成出来るが、このような金属板を得るためには複数の金属板を接合する等の手段に拠るのでどうしてもコスト高になり、実用的な観点から好ましくない。

また、本発明に於いて、前記窪み部の形と大きさに関しては、本発明者の実験的検討結果に拠れば、少なくとも一つの半導体を搭載する回路部分が他の半導体を搭載する回路部分と熱的に遮蔽されるように、金属板に幅２ｍｍ以上の窪み部分を設けていることを本質としている。即ち、２ｍｍ以上の幅を有する窪みを、半導体を搭載している回路間に設けることで、半導体から発生する熱で隣接する半導体の温度上昇が惹き起こされる問題を解決できるのである。２ｍｍ未満の空隙では窪み部分の中にある気体が対流を生じにくく、その結果空隙による熱遮断の効果が充分には得にくくなる。本発明に於いて、全ての半導体が熱的に遮断されていることが望ましいが、実際の集積回路では、例えば、出力用半導体を制御する制御用半導体や高周波数動作の半導体等を熱的に遮断することのみで混成集積回路の動作を安定的に確保出来ることが多いので、本発明では、少なくとも一つの半導体を搭載する回路部分が他の半導体を搭載する回路部分と熱的に遮断できれば良い。

また、本発明に於いて、窪み部分の最大深さは金属板の厚みに対して１０〜５０％であることが好ましい。窪み部分の最大深さが金属板の厚みに対して１０％未満では、本発明の効果が明瞭でない場合があるし、５０％を超える場合には金属板自体の強度が低下し変形しやすくなるといった不都合が生じやすくなるからである。

また、前記窪み部分の大きさに関しては、本発明者の検討結果に基づけば、当該窪み部分が回路と同じ側にあるときには、窪み部分の垂直方向から眺めた大きさが金属板全体の面積の１０〜４０％を占めていることが好ましい。ここで、垂直方向から眺めるとは、金属板１の主面に対して垂直方向から眺める方向であることを意味している。また、窪み部分の垂直方向から眺めた大きさが金属板の面積の１０％未満では本発明の効果が得られないことがあるし、４０％よりも大きい場合は、時として、制御用回路の引き回しが同一回路基板上で十分に行えない等の欠点が生じることがあり、発明の効果が十分に発揮できないことがあるからである。

一方、当該窪み部分が回路と反対側にあるときには、窪み部分の垂直方向から眺めた大きさが金属板全体の面積の１０〜９０％を占めていることが好ましい。１０％未満では本発明の効果が得られないことがある。ところで、大きさの上限値に関しては、窪み部分が回路と同じ側にある場合と大いに異なり、格別の技術的な限界が見いだせない。
しかし、９０％を越える場合には、金属板の強度が保てなくなる等の実質的に回路基板に於ける基板の役割を果たせなくなるという別の問題が生じてくる。

本発明に於いて、図１、図２に例示している通りに、窪み部分に絶縁材を充填する必要はない。窪み部分に、低誘電率で熱絶縁性の材料、例えば酸化アルミニウムや窒化ホウ素を含有するエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂からなる材料、を充填することは当然考えられるが、何も充填しないことが当該窪み部分が最も低誘電率で熱絶縁性である特性を示すことができ、本発明の効果が容易に得ることができるからである。

つまり、本発明の金属ベース回路基板は、前記構造上の特徴を有することに起因して、空隙部分が熱伝達を妨げる働きをし、発熱素子の熱が周囲の素子にまで伝達せず、周囲の素子の誤作動が起こる危険性を低減でき、そして、その故に制御用半導体と出力用半導体の両者を有する混成集積回路を一回路基板上に形成出る特徴を有しているので、いろいろな用途用の混成集積回路用の回路基板として好ましく適用される特徴を有している。

また、本発明において、金属板の一主面には絶縁層を介して回路が形成されているが、前記絶縁層は、金属板上にのみ存在し、金属板の表面の窪み部分を充填することはない。

本発明に於いて、絶縁材は、例えば高純度のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と無機質充填材からなる混合物を硬化させてなり、その硬化体の熱伝導率が５．０×１０-3〜２４．０×１０-3（ｃａｌ／℃・ｃｍ・ｓｅｃ）（２．１〜１０Ｗ／ｍＫ）で、かつガラス転移温度が１６４〜２４０℃の範囲にあるものが好ましく用いられる。

前記の無機質充填材には、各種セラミックス、無機粉体およびガラス繊維等が用いられる。前記のセラミックス又は無機粉体としては、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、マグネシア（ＭｇＯ）、シリカ（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、あるいはそれ等の焼結体等が挙げられるが、特にアルミナ，窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素から選ばれた少なくとも１種が好ましく用いられる。

また、無機質充填材は例えば平均粒径５〜５０μｍの粒子６０〜８０ｖｏｌ％と平均粒径０．２〜１．５μｍの粒子４０〜２０ｖｏｌ％（合計１００ｖｏｌ％）からなるものが好ましい。

前記絶縁材は、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１０〜４０ｖｏｌ％、好ましくは１０〜３０ｖｏｌ％と、無機質充填材９０〜６０ｖｏｌ％、好ましくは９０〜７０ｖｏｌ％を混合し、硬化させることにより得られる。無機質充填材６０ｖｏｌ％未満では所望の熱伝導率を有する絶縁材を得ることが容易でなく、９０ｖｏｌ％を越えると混合物がペースト状とならず基板上に塗布することができなくなる等の問題が発生し易くなることから、前記範囲が好ましく選択される。また、必要に応じてシラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤、安定剤、硬化促進剤等を含ませることができる。

次に、絶縁材の層の全面に、金属箔を配置し、加熱、一体化することで、金属箔と一体となった構造体を得る。ここで用いる金属箔は、加工されて回路となることから、導電性に優れる金属の箔、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、錫、銀、チタニウムのいずれか、これらの金属を２種類以上含む合金、或いは前記金属又は合金を使用したクラッド箔等を用いることができる。尚、前記の箔の製造方法は電解法でも圧延法で作製したものでもよく、箔上にはＮｉメッキ、Ｎｉ−Ａｕメッキ、半田メッキなどの金属メッキがほどこされていてもかまわないが、絶縁材との接着性の点から前記金属箔の絶縁材に接する側の表面はエッチングやメッキ等により予め粗化処理されていることが一層好ましい。

上述の構造体の前記金属箔の所望の位置に、エッチングレジストを塗布し、金属箔を所定のエッチング液を用いてエッチングして前記金属箔より回路を形成し、その後エッチングレジストを剥離することで、図１に例示される本発明に係る金属ベース回路基板を得ることができる。

上記以外に、予め金属箔を加工して回路としておいて、当該回路を絶縁材上に配置し、絶縁材を硬化させながら、一体化する方法も適用出来る。

以下、実施例に基づき、本発明の金属ベース回路基板について、更に詳細に説明する。

（実施例１〜６，比較例１〜３）５０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍのアルミニウム板上の所望の位置に、熱硬化型レジストインクを塗布し、アルカリエッチングにより、表１に示すように種々の大きさ、深さの窪み部を形成した後、レジストインクを除去した。

その後、アルミナ粉（平均粒子径１６μｍの粒子／平均粒子径０．７μｍの粒子＝容積比で７／３）８０ｖｏｌ％と高純度のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（モノマー純度９８％、２５℃での粘度４５００ｃｐｓ）２０ｖｏｌ％を混合して得られた絶縁材料に、硬化剤としてジアミノジフェニルメタンを用いて、１．５ｍｍ厚のアルミニウム板上に１００μｍの厚みに塗布して、加熱して半硬化状態にした後、この上に３５μｍ厚の電解銅箔を積層して加熱して貼り合わせ、次いでエッチングにより銅回路を形成して、回路基板とした。

作成した回路基板の最も端部に近い銅回路上（（イ）の位置とする）にダイオードモジュール用としてダイオードチップ部品を搭載した後、負荷をかけ、５０Ｗの電力が消費した時の上記（イ）の位置から３５ｍｍ離れ、かつ窪み部がある場合は、その窪み部を必ずまたぐ位置（ロ）の銅回路上の（イ）−（ロ）間の温度差を測定した。以上の結果を表１に示した。本発明品は比較例のものに比べ（イ）−（ロ）間の温度差が小さく、混成集積回路として信頼性が高いことが明白である。

本発明の金属ベース回路基板は、同一回路基板上においても部分的に回路基板の特性を変化しているという特徴があり、多様な種類の半導体素子等を搭載でき、例えば、出力用半導体と制御用半導体とを共に有する混成集積回路等に好適に用いることができるし、更に、回路基板において所望の位置に発熱性電子部品や高周波発生機器を適切な配置とすることができるので、その結果として、搭載されたチップ抵抗等の電子部品の耐ヒートサイクル性を向上させる等の効果をも得られるという特徴があるので、いろいろな混成集積回路用の回路基板として有用である。

本発明の金属ベース回路基板の一例を示す図。 本発明の金属ベース回路基板の他の一例を示す図。

符号の説明

１ 金属板
２ 窪み部分
３ 絶縁材
４ 回路

Claims (5)

1. 金属板と、前記金属板上に絶縁層を介して設けられた回路と、前記回路上に実装される複数の半導体と、からなる混成集積回路に用いられる金属ベース回路基板であって、少なくとも一つの半導体を搭載する回路部分が他の半導体を搭載する回路部分と熱的に遮蔽されるように、前記回路の間の金属板に幅２ｍｍ以上の窪み部分を設けていることを特徴とする金属ベース回路基板。
2. 金属板上の回路形成側の面に窪み部分が設けられ、窪み部分の最大深さが金属板の厚みに対して１０〜５０％であることを特徴とする請求項１記載の金属ベース回路基板。
3. 窪み部分の垂直方向から眺めた大きさが、金属板の面積の１０〜４０％であることを特徴とする請求項２記載の金属ベース回路基板。
4. 金属板上の回路形成側とは反対側の面に窪み部分が設けられ、窪み部分の最大深さが金属板の厚みに対して１０〜５０％であることを特徴とする請求項１記載の金属ベース回路基板。
5. 窪み部分の垂直方向から眺めた大きさが、金属板の面積の１０〜９０％であることを特徴とする請求項４記載の金属ベース回路基板。

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