JP3429594B2 - 回路用金属基板 - Google Patents
回路用金属基板Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は回路用金属基板に関し、
特に放熱性，耐電圧性，耐熱性を要求する電子機器回路
に有用な回路用金属基板に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、電子機器回路に用いられる回路用
金属基板として、ガラス銅張積層板，多層銅張積層板が
用いられている。また、最近では、部品の小型化，軽量
化，信頼性向上、更に表面実装技術が進歩した結果、金
属ベースの回路用基板、金属コア回路用基板が機器の小
型化に大きく貢献している。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
回路用金属基板によれば、パワーモジュールを用いるイ
ンバータ，ＤＣ−ＤＣコンバータの電源機器では、パワ
ーモジュールの局所的発熱を放熱する部分の回路と信号
回路は、同一金属基板上での回路形成が不可能であっ
た。この理由の一つが放熱性と耐電圧性と耐ノイズ性に
優れた金属基板がなかったからである。従って、これら
設計的な制約を解決するため、複数の基板が用いられて
いた。 【０００４】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、放電用金属ベースと導電層間の絶縁体を第１絶縁層
と該第１絶縁層と同一面に近接して形成した第２絶縁層
と前記第１絶縁層と第２絶縁層の両絶縁層上に形成した
第３絶縁層から構成し、前記第１絶縁層はガラス繊維不
織布に酸化アルミニウム５０〜７２重量部，窒化ホウ素
１〜２５重量部，二酸化珪素１〜１０重量部，熱硬化性
樹脂２０〜５０重量部からなる無機充填剤混合樹脂を塗
布したものとし、前記第２絶縁層は芳香族ポリアミド繊
維不織布もしくはガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維
不織布に熱硬化性樹脂を塗布したものとし、前記第３絶
縁層は酸化アルミニウム５０〜７５重量部、窒化ホウ素
１〜２５重量部、二酸化珪素１〜１０重量部、熱硬化性
樹脂２０〜５０重量部からなる無機充填材混合樹脂を
０．０２〜０．１０ｍｍの一様な厚さに塗布してなる構
成とすることにより、放熱性、耐電圧性、耐ノイズ性に
優れた回路用金属基板を提供することを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は、放熱用金属ベ
ースと、この金属ベースの少なくとも片面に絶縁体を介
して設けられた導電層とを具備する回路用金属基板にお
いて、前記絶縁体が、第１絶縁層と、該第１絶縁層と同
一面に近接して形成した第２絶縁層と、前記第１絶縁層
と第２絶縁層の両絶縁層上に形成した第３絶縁層からな
り、前記第１絶縁層が、ガラス繊維不織布に酸化アルミ
ニウム５０〜７２重量部，窒化ホウ素１〜２５重量部，
二酸化珪素１〜１０重量部，熱硬化性樹脂２０〜５０重
量部からなる無機充填剤混合樹脂を塗布したものであ
り、前記第２絶縁層が、芳香族ポリアミド繊維不織布も
しくはガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維不織布に熱
硬化性樹脂を塗布したものであり、前記第３絶縁層が、
酸化アルミニウム５０〜７５重量部、窒化ホウ素１〜２
５重量部、二酸化珪素１〜１０重量部、熱硬化性樹脂２
０〜５０重量部からなる無機充填材混合樹脂を０．０２
〜０．１０ｍｍの一様な厚さに塗布してなることを特徴
とする回路用金属基板である。 【０００６】この発明において、回路用金属基板は、電
気機器の構成部品として、次の現象を引き起こす。つま
り、前記絶縁体の両面を電極で挟み、交流電圧を課電し
た場合、絶縁体のもつ静電容量（Ｃ）と抵抗（Ｒ）を単
純な直列回路とすると、次の誘電体損失（Ｗ）が生じ
る。 【０００７】 Ｗ＝Ｖ・Ｉ・ｔａｎδ＝ω・Ｃ・Ｖ・ｔａｎδ 但し、Ｖは電圧、Ｉは電流、δは充電電流と全電流の相
差角、ω＝２πｆ（π＝円周率３．１４、ｆは周波数） 従って、強電体損失Ｗは誘電正接ｔａｎδに比例するか
ら、ｔａｎ＝ωＣＲとなる。従って、本発明の請求項１
に係る第１絶縁層は、放熱性を目的として誘電率の大き
い充填材，酸化アルミニウム，窒化ホウ素，二酸化ケイ
素と均一な絶縁を保つために合成樹脂エポキシ樹脂等の
熱硬化性樹脂が用いられる。 【０００８】高周波領域で使用される電気機器は、内外
からの耐ノイズ性を防止するため、静電容量（Ｃ）を小
さくする必要が生じる。この要求特性を維持するために
は、絶縁体の厚さを厚くするか、上記充填材の混合比率
を少なくする必要がある。いずれの場合も、電気機器が
大型化するため、好ましくない。因みに、本発明の請求
項１に係る第１絶縁層を構成する各素材の誘電率（ε）
は、エポキシ樹脂は３〜５，ガラス繊維は５〜５．５，
酸化アルミニウム８．５〜９，窒化ホウ素は３．９〜
５．３，二酸化ケイ素は３〜３．５である。 【０００９】絶縁体の誘電率（ε）は、絶縁体の静電容
量（Ｃx ）を同じ厚さと面積を持つ空気の静電容量（Ｃ
0 ）で除した値で、一般には空気の誘電率（εはほぼ１
に等しい）より大きく、金属基板に必要な放熱性も誘電
率が大きくなるほど大きい。 【００１０】一例では、熱伝導率（Ｗatt ／ｍ・℃）
は、空気：０．０２６，エポキシ樹脂：０．３〜０．
８，二酸化ケイ素：１．３８〜２．０，ガラス繊維：
１．１０，酸化アルミニウム：２０，窒化ホウ素：１２
０〜１３５となる。また、金属ベースの熱伝導率は、
銅：３２９，アルミニウム：２３７，鉄：５２となる。 【００１１】これらの特性を組み合わせた金属基板が本
発明の骨子で、静電容量と絶縁厚さの関係は下記表１の
ようになる。表１で、誘電率７．２，誘電率６．３の絶
縁体は本発明の請求項１の第１絶縁層と静電容量との関
係を示し、誘電率４．４と，誘電率３．５は第１絶縁層
に近接する第２絶縁層の静電容量と厚さの関係を示し
た。 【００１２】 【表１】【００１３】静電容量は、誘電率と絶縁厚さに関係す
る。つまり、絶縁厚さが増すと静電容量が小さくなり、
絶縁厚さが薄くなると静電容量は大きくなる。放熱面の
絶縁は、本発明の特許請求の範囲の請求項１の第１絶縁
層からなり、この絶縁組成は、充填材８０重量部（最
大），熱硬化性樹脂２０重量部（最小）の混合樹脂を含
浸塗布したガラス繊維不織布で構成しているため、誘電
率は６．３〜７．２になる。 【００１４】本発明の骨子は、同一平面上に、放熱性面
と耐電圧性，耐ノイズ性面の２つの境界を持つ絶縁構成
のため、本発明の第１絶縁層の誘電率は６〜７．５とな
り、第２絶縁層の誘電率は３．８〜４．５となる。 【００１５】図１は、放熱特性を調べるための説明図を
示す。但し、図１において、符号１はヒートシンク（ア
ルミブロック）２上に載置された回路用金属基板であ
り、符号３はこの基板１上にセットされたトランジスタ
である。前記基板１は、厚さ１．５mmのベース金属板
（銅板）４と厚さ３００μｍの絶縁層５と厚さ７０μｍ
の導電層（銅箔）６とから構成される。 【００１６】絶縁層が０．３０mmの場合、図１の測定法
では第１絶縁層は１．４℃／Ｗ，第２絶縁層は６℃／Ｗ
であった。但し、Ｔ1 −Ｔ2 ＝ΔＴ、ΔＴ／Ｗ＝熱抵抗
（放熱性）であり、前記Ｔ1 はトランジスタ３の発熱面
の温度、前記Ｔ2 はヒートシンク２とベース金属板４の
境界である熱伝導面の温度である。 【００１７】本発明において、第１絶縁層の充填材を最
大で８０重量部に保った理由は、充填材を含まない第２
絶縁層の絶縁耐力（一例：１８ＫＶ）に比べて、無機充
填材８０重量部，樹脂２０重量部の場合で、絶縁耐力
（一例：１２ＫＶ）が同じ絶縁厚さで比較して６７％と
なるために上限の充填材を最大で８０重量部，樹脂２０
重量部に保った。下限の無機充填材を５０重量部に保っ
た理由は、図２の熱抵抗の実測例から決めた。 【００１８】本発明において、無機充填材混合樹脂中に
酸化アルミニウム，窒化ホウ素，二酸化珪素を含ませた
のは、次の理由による。即ち、熱伝導性（Ｗatt ／ｍ・
℃）で比較すると、窒化ホウ素は１２０〜１３５，酸化
アルミニウムは約２０，二酸化珪素は約２，樹脂は約
０．８で、これらの混合樹脂はこれらの混合比例で決定
される。ここで、前記熱誘電率とは、１メータの距離を
持つ物体が１℃上昇する時の熱エネルギーから換算した
数値で、大きい程熱をよく伝導することを意味する。 【００１９】一方、価格面では二酸化珪素が安く、次は
酸化アルミニウム，窒化ホウ素は高価な為、単一での使
用は考えられない。本発明の第１絶縁層は８〜９Ｗatt
／ｍ・℃で、実用上は実施例２の配合が示す通り酸化ア
ルミニウムと樹脂が主体になる。 【００２０】本発明において、窒化アルミニウム（１〜
２５重量部）と二酸化珪素（１〜１０重量部）の樹脂混
合は前述の誘電率（ε）を低下させる為に使用される
が、請求項１の下限に近い範囲が絶縁特性（耐電圧）の
向上のために効果的である。因みに、これら無機材料単
体の誘電率は、窒化ホウ素９〜９．５、酸化アルミニウ
ム８．５〜９、二酸化珪素３〜３．５である。誘電率を
低く、熱伝導性を改善するために、本発明の配合比を選
んだ。 【００２１】本発明においては、特許請求の範囲の請求
項２のように、第３絶縁層の厚みを０．０２〜０．１０
mmとするのは、第１絶縁層と第２絶縁層の近接する境界
部絶縁の信頼性向上のためにより効果的であるからであ
る。 【００２２】しかも、高誘電率，高熱伝導率をもつ第１
絶縁層の信頼性を向上させ、かつ第２絶縁層の低誘電率
層の持つ特徴，即ち低誘電率，低熱伝導率を妨げない範
囲は、第２絶縁層が３００μｍの場合，導電層側の第３
絶縁層が０．０２mm（２０μｍ）では約６％の比率，
０．１mmでは２５％の比率となり、低誘電率，低熱伝導
率の特徴を大きく妨げない。 【００２３】本発明において、高温多湿（例えば、８５
℃８５％ＲＨ湿度雰囲気）中における直流電圧の課電時
における，マイグレーション現象（銅イオンの絶縁体中
への移行と，これに基づく絶縁破壊）の抑制に効果があ
る。 【００２４】本発明において、熱硬化性樹脂の配合割合
を２０〜５０重量部としたのは、樹脂比率が２０重量部
未満の場合十分な耐電圧性が得られず、５０重量部を越
えると、十分な放熱性が得られないからである。従っ
て、十分な耐電圧性を必要とする場合、前記耐電圧性絶
縁体中の樹脂の割合を２０〜２０重量部とする。勿論，
樹脂比率が高ければ耐電圧性はより一層向上するが、本
発明で求める高熱伝導性絶縁体と接する同一平面上に形
成された耐電圧性絶縁層は、絶縁体中の熱硬化性樹脂と
充填剤の比率の内、樹脂を２０〜５０重量部に保つ。そ
の理由は、十分な放熱性と耐電圧性を保つ為には、必要
不可欠な条件である。 【００２５】一方、放熱性を必要とするエリアは耐電圧
性をある程度犠牲にして、絶縁体の主成分である樹脂と
充填剤の比率のうち、充填剤の割合を５０重量部以上に
保つ。その理由は、充填剤の割合が５０重量部未満の場
合、十分な放熱性が得られないからである。従って、十
分な放熱性を望む場合は、前記高熱伝導性絶縁体中の充
填剤の割合を５０重量部以上とする。 【００２６】本発明において、無機充填材混合樹脂中の
各充填材，即ち酸化アルミニウム，窒化ホウ素，二酸化
珪素，珪酸マグネシウムを，熱硬化性樹脂を上記のよう
に限定したのは、下記の理由による。 【００２７】(1) 絶縁体の一部を構成する第１絶縁層の
引張弾性率は1100〜1800Kgｆ／mm2、高熱伝導率の元
で、十分な剛性と低い膨脹係数，高いガラス転移点（Ｔ
ｇ）が必要とされている。ここで、膨脹係数，Ｔｇは、
金属ベ−スとして１．５mmのアルミニウム板を用い、導
電層として0.035mm の厚さの銅箔を用い、この間に絶縁
体を構成する第１〜第３絶縁層を介在させた金属基板に
ついて測定した結果、第１絶縁層についてはＴｇは140
℃、膨脹係数（Ｔｇ以下の温度）は1.61〜5.9 ×10-5／
℃であり、また第２・第３絶縁層の引張弾性率は600 〜
900 Kgｆ／mm2 で第１絶縁層に比べてＴｇは100 ℃，線
膨脹係数は1.5 〜3.8 ×10-5／℃で柔軟性に富んで構成
されている。 【００２８】(2) 上記第１〜第３絶縁層を同一平面上に
構成する場合、第１絶縁層が異常にオ−バ−ヒ−トされ
たとき、高いＴｇ（140 ℃）と低い線膨脹係数1.61〜5.
9 ×10-5／℃が基板の反り，ねじれを吸収し、第２・第
３絶縁層のガラス転移点100℃，線膨脹係数は3.8 ×10
-5／℃でこれに接する第１絶縁層の線膨脹係数は2.77×
10-5／℃である。金属ベ−スのアルミニウムは2.4 ×10
-5／℃で、お互いの材料がバランスに富む点が本発明の
無機充填材を選択した理由である。 【００２９】（3）第１絶縁層に含まれる酸化アルミニ
ウムは、上述したように５０〜７２重量部に設定すると
十分な熱伝導性が得られる。しかし、酸化アルミニウム
は樹脂に対して硬さが増し、引張弾性率が高く、金属基
板の絶縁体としては単独では充填率を高くすることが困
難である。従って、酸化アルミニウム以外に、前記二酸
化硅素，窒化ホウ素を夫々１〜１０重量部配合して柔軟
性と剛性を兼ね備えるようにした。また、これら無機充
填材の熱硬化性樹脂に対する比率を、最大で８０：２０
を上限とすることが各無機充填材の特性を生かす上で効
果的である。 【００３０】 【作用】本発明において、熱伝が優れた絶縁層と熱伝が
劣る絶縁層が同一平面上に構成された導電層を持つ回路
用金属基板であるため、パワー部品の放熱性を改善し、
しかも、近接する熱伝が劣る絶縁層上の導電層上の部品
実装に対する熱煽りが低減された。パワー部品の放熱は
下部ベース金属を通して真下に放熱される結果、部品実
装に最適で信頼性が一段と向上した。 【００３１】 【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 （実施例１）図３（Ａ），（Ｂ）を参照する。ここで、
図３（Ａ）は回路用金属基板の断面図、図３（Ｂ）は図
３（Ａ）の絶縁層の平面図を示す。 【００３２】図中の31は、厚さ２．０mmで銅製の金属ベ
ースである。この金属ベース31上には、厚さ０．３０mm
の絶縁体32を介して厚さ０．０７mmの複数の電極（導電
層）33が設けられている。ここで、前記絶縁体32は、厚
み０．３０mmの第１絶縁層32ａと、この第１絶縁層32ａ
に接して設けられ，かつ第１絶縁層32ａと同じ厚みの第
２絶縁層32ｂからなる。 【００３３】前記第１絶縁層32ａは、厚さ０．１１mmの
ガラス繊維不織布（２５ｇ／ｍ2 ）に、下記表２に記載
したイミダゾール（硬化促進剤），無機充填材（酸化ア
ルミニウム，窒化ホウ素，二酸化珪素）及び熱硬化性樹
脂（樹脂１〜樹脂３）の混合樹脂を塗布して仕上がり厚
さ０．１５mmを２枚用いたものである。 【００３４】前記第２絶縁層32ｂは、厚さ０．０５mmの
芳香族ポリアミド繊維不織布（２０ｇ／ｍ2 ）に、充填
材の入らない熱硬化樹脂を塗布して仕上がり厚さ０．０
６mmを５枚用いたものである。 【００３５】 【表２】【００３６】但し、表２において、樹脂１はフェノール
ノボラック形エポキシ樹脂、樹脂２はビスフェノール型
エポキシ樹脂、樹脂３はクレゾールノボラック形エポキ
シ樹脂を示す。なお、表２中の熱抵抗（Watt／℃）は、
厚み１．５mm，形状３０（Ｌ1 ）mm×３０（Ｌ1 ）mmの
ベース金属（銅板）41上に厚さ０．３mmの絶縁体42を介
して厚さ０．０７mm，形状１０（Ｌ2 ）mm×１４（Ｌ
3 ）mmの銅箔43を形成した図４の試験片で、図１の試験
方法で測定した。但し、図４において、符号41は厚みＴ
1 ：１．５mmのベース金属、符号42は横Ｌ1 ：３０mm，
縦Ｌ1 ：３０mmで厚みＴ2 ：０．３mmの絶縁体、符号43
は横Ｌ2 ：１０mm，縦Ｌ3 ：１４mmで厚みＴ3 ：０．３
mmの銅箔を示す。また、表２中の誘電率は、図５に示す
ように試料を配置して測定した（但し、符号52は主電
極，符号53は電極を示す）。高温多湿（例えば、８５
℃，８５％ＲＨ湿度雰囲気）中における直流電圧の課電
時のおける、電圧と寿命の関係は、下記表３に示す通り
である。 【００３７】 【表３】 【００３８】このように、上記実施例１に係る回路用金
属基板は、金属ベ−ス31と、この金属ベ−ス31上に形成
された絶縁体32と、この絶縁体32上に形成された電極33
とを具備し、前記絶縁体32が、第１絶縁層32ａと該第１
絶縁層32ａに近接して形成されかつ第１の絶縁層32ａと
同一面の第２絶縁層32ｂとからなり、前記第１絶縁層32
ａが、ガラス繊維不織布に上記表２に記載した所定の熱
硬化性樹脂及び無機充填剤を混合した樹脂を塗布したも
のであり、前記第２絶縁層32ｂが、ガラス繊維混抄の芳
香族ポリアミド繊維不織布に所定の熱硬化性樹脂を塗布
含浸したものであり、更に前記第１絶縁層32ａと第２絶
縁層32ｂが同一熱硬化反応機能を有する絶縁体である構
成となっている。 【００３９】しかるに、前記第１絶縁層32ａは無機充填
材として窒化ホウ素，二酸化珪素及び酸化アルミニウム
を含むため、誘電率の低下，熱抵抗の低下に顕著な効果
が得られた。また、第２絶縁層32ｂがガラス繊維混抄の
芳香族ポリアミド繊維不織布に所定の熱硬化性樹脂を塗
布含浸したものであるため、低誘電率，低静電容量，低
熱伝導性に顕著な効果が得られた。事実、実施例１に係
る回路用金属基板に関する電極のピール強度，半田耐熱
などの特性は下記表４に示す通りである。 【００４０】 【表４】【００４１】（実施例２〜４）実施例２〜４に係る回路
用金属基板は、金属ベース，第１絶縁層及び第２絶縁層
からなる絶縁体，及び電極の基本的な構成は実施例１と
同じであり、無機充填材としての酸化アルミニウム，窒
化ホウ素，二酸化ケイ素は前記した表３の通りである。 【００４２】実施例２〜４についても、実施例１と同様
に、誘電率の低下，熱抵抗の低下に顕著な効果が得られ
るとともに、低誘電率，低静電容量，低熱伝導性に顕著
な効果が得られた。 【００４３】（比較例１）比較例１に係る回路用金属基
板は、金属ベース，第１絶縁層及び第２絶縁層からなる
絶縁体，及び電極の基本的な構成は実施例１と同じであ
り、酸化アルミニウム，窒化ホウ素，二酸化ケイ素は前
記した表３に示す通りである。 【００４４】表３から明らかのように、比較例１の場合
は実施例１〜４と比べて、熱抵抗が高く、逆に誘電率が
低いことが確認できた。従って、表３より本発明が比較
例と比べて優れていることが明らかである。 【００４５】（実施例５）図６（Ａ），（Ｂ）を参照す
る。ここで、図６（Ａ）は回路用金属基板の断面図、図
６（Ｂ）は図６（Ａ）の絶縁層の平面図を示す。なお、
図３と同部材は同符号を付して説明を省略する。 【００４６】図中の符号61は厚さ０．３０mmの絶縁体32
上に形成された第３絶縁層であり、この上に複数の電極
33が形成されている。前記第３絶縁層61は、上記実施例
１の第１絶縁層と同じ組成となっている。上記実施例５
に係る回路用金属基板に関する電極のピール強度，半田
耐熱などの特性は下記表５に示す通りである。 【００４７】 【表５】 上記表５より、実施例５に係る本発明が、実施例１と同
様に、誘電率の低下，熱抵抗の低下に顕著な効果が得ら
れ、低誘電率，低静電容量，低熱伝導性に顕著な効果が
得られることが確認できた。 【００４８】 【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、放電
用金属ベースと導電層間の絶縁体を第１絶縁層と該第１
絶縁層と同一面に近接して形成した第２絶縁層と前記第
１絶縁層と第２絶縁層の両絶縁層上に形成した第３絶縁
層から構成し、前記第１絶縁層はガラス繊維不織布に酸
化アルミニウム５０〜７２重量部，窒化ホウ素１〜２５
重量部，二酸化珪素１〜１０重量部，熱硬化性樹脂２０
〜５０重量部からなる無機充填剤混合樹脂を塗布したも
のとし、前記第２絶縁層は芳香族ポリアミド繊維不織布
もしくはガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維不織布に
熱硬化性樹脂を塗布したものとし、前記第３絶縁層は酸
化アルミニウム５０〜７５重量部、窒化ホウ素１〜２５
重量部、二酸化珪素１〜１０重量部、熱硬化性樹脂２０
〜５０重量部からなる無機充填材混合樹脂を０．０２〜
０．１０ｍｍの一様な厚さに塗布してなる構成とするこ
とにより、放熱性、耐電圧性、耐ノイズ性に優れた回路
用金属基板を提供できる。
特に放熱性，耐電圧性，耐熱性を要求する電子機器回路
に有用な回路用金属基板に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、電子機器回路に用いられる回路用
金属基板として、ガラス銅張積層板，多層銅張積層板が
用いられている。また、最近では、部品の小型化，軽量
化，信頼性向上、更に表面実装技術が進歩した結果、金
属ベースの回路用基板、金属コア回路用基板が機器の小
型化に大きく貢献している。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
回路用金属基板によれば、パワーモジュールを用いるイ
ンバータ，ＤＣ−ＤＣコンバータの電源機器では、パワ
ーモジュールの局所的発熱を放熱する部分の回路と信号
回路は、同一金属基板上での回路形成が不可能であっ
た。この理由の一つが放熱性と耐電圧性と耐ノイズ性に
優れた金属基板がなかったからである。従って、これら
設計的な制約を解決するため、複数の基板が用いられて
いた。 【０００４】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、放電用金属ベースと導電層間の絶縁体を第１絶縁層
と該第１絶縁層と同一面に近接して形成した第２絶縁層
と前記第１絶縁層と第２絶縁層の両絶縁層上に形成した
第３絶縁層から構成し、前記第１絶縁層はガラス繊維不
織布に酸化アルミニウム５０〜７２重量部，窒化ホウ素
１〜２５重量部，二酸化珪素１〜１０重量部，熱硬化性
樹脂２０〜５０重量部からなる無機充填剤混合樹脂を塗
布したものとし、前記第２絶縁層は芳香族ポリアミド繊
維不織布もしくはガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維
不織布に熱硬化性樹脂を塗布したものとし、前記第３絶
縁層は酸化アルミニウム５０〜７５重量部、窒化ホウ素
１〜２５重量部、二酸化珪素１〜１０重量部、熱硬化性
樹脂２０〜５０重量部からなる無機充填材混合樹脂を
０．０２〜０．１０ｍｍの一様な厚さに塗布してなる構
成とすることにより、放熱性、耐電圧性、耐ノイズ性に
優れた回路用金属基板を提供することを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は、放熱用金属ベ
ースと、この金属ベースの少なくとも片面に絶縁体を介
して設けられた導電層とを具備する回路用金属基板にお
いて、前記絶縁体が、第１絶縁層と、該第１絶縁層と同
一面に近接して形成した第２絶縁層と、前記第１絶縁層
と第２絶縁層の両絶縁層上に形成した第３絶縁層からな
り、前記第１絶縁層が、ガラス繊維不織布に酸化アルミ
ニウム５０〜７２重量部，窒化ホウ素１〜２５重量部，
二酸化珪素１〜１０重量部，熱硬化性樹脂２０〜５０重
量部からなる無機充填剤混合樹脂を塗布したものであ
り、前記第２絶縁層が、芳香族ポリアミド繊維不織布も
しくはガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維不織布に熱
硬化性樹脂を塗布したものであり、前記第３絶縁層が、
酸化アルミニウム５０〜７５重量部、窒化ホウ素１〜２
５重量部、二酸化珪素１〜１０重量部、熱硬化性樹脂２
０〜５０重量部からなる無機充填材混合樹脂を０．０２
〜０．１０ｍｍの一様な厚さに塗布してなることを特徴
とする回路用金属基板である。 【０００６】この発明において、回路用金属基板は、電
気機器の構成部品として、次の現象を引き起こす。つま
り、前記絶縁体の両面を電極で挟み、交流電圧を課電し
た場合、絶縁体のもつ静電容量（Ｃ）と抵抗（Ｒ）を単
純な直列回路とすると、次の誘電体損失（Ｗ）が生じ
る。 【０００７】 Ｗ＝Ｖ・Ｉ・ｔａｎδ＝ω・Ｃ・Ｖ・ｔａｎδ 但し、Ｖは電圧、Ｉは電流、δは充電電流と全電流の相
差角、ω＝２πｆ（π＝円周率３．１４、ｆは周波数） 従って、強電体損失Ｗは誘電正接ｔａｎδに比例するか
ら、ｔａｎ＝ωＣＲとなる。従って、本発明の請求項１
に係る第１絶縁層は、放熱性を目的として誘電率の大き
い充填材，酸化アルミニウム，窒化ホウ素，二酸化ケイ
素と均一な絶縁を保つために合成樹脂エポキシ樹脂等の
熱硬化性樹脂が用いられる。 【０００８】高周波領域で使用される電気機器は、内外
からの耐ノイズ性を防止するため、静電容量（Ｃ）を小
さくする必要が生じる。この要求特性を維持するために
は、絶縁体の厚さを厚くするか、上記充填材の混合比率
を少なくする必要がある。いずれの場合も、電気機器が
大型化するため、好ましくない。因みに、本発明の請求
項１に係る第１絶縁層を構成する各素材の誘電率（ε）
は、エポキシ樹脂は３〜５，ガラス繊維は５〜５．５，
酸化アルミニウム８．５〜９，窒化ホウ素は３．９〜
５．３，二酸化ケイ素は３〜３．５である。 【０００９】絶縁体の誘電率（ε）は、絶縁体の静電容
量（Ｃx ）を同じ厚さと面積を持つ空気の静電容量（Ｃ
0 ）で除した値で、一般には空気の誘電率（εはほぼ１
に等しい）より大きく、金属基板に必要な放熱性も誘電
率が大きくなるほど大きい。 【００１０】一例では、熱伝導率（Ｗatt ／ｍ・℃）
は、空気：０．０２６，エポキシ樹脂：０．３〜０．
８，二酸化ケイ素：１．３８〜２．０，ガラス繊維：
１．１０，酸化アルミニウム：２０，窒化ホウ素：１２
０〜１３５となる。また、金属ベースの熱伝導率は、
銅：３２９，アルミニウム：２３７，鉄：５２となる。 【００１１】これらの特性を組み合わせた金属基板が本
発明の骨子で、静電容量と絶縁厚さの関係は下記表１の
ようになる。表１で、誘電率７．２，誘電率６．３の絶
縁体は本発明の請求項１の第１絶縁層と静電容量との関
係を示し、誘電率４．４と，誘電率３．５は第１絶縁層
に近接する第２絶縁層の静電容量と厚さの関係を示し
た。 【００１２】 【表１】【００１３】静電容量は、誘電率と絶縁厚さに関係す
る。つまり、絶縁厚さが増すと静電容量が小さくなり、
絶縁厚さが薄くなると静電容量は大きくなる。放熱面の
絶縁は、本発明の特許請求の範囲の請求項１の第１絶縁
層からなり、この絶縁組成は、充填材８０重量部（最
大），熱硬化性樹脂２０重量部（最小）の混合樹脂を含
浸塗布したガラス繊維不織布で構成しているため、誘電
率は６．３〜７．２になる。 【００１４】本発明の骨子は、同一平面上に、放熱性面
と耐電圧性，耐ノイズ性面の２つの境界を持つ絶縁構成
のため、本発明の第１絶縁層の誘電率は６〜７．５とな
り、第２絶縁層の誘電率は３．８〜４．５となる。 【００１５】図１は、放熱特性を調べるための説明図を
示す。但し、図１において、符号１はヒートシンク（ア
ルミブロック）２上に載置された回路用金属基板であ
り、符号３はこの基板１上にセットされたトランジスタ
である。前記基板１は、厚さ１．５mmのベース金属板
（銅板）４と厚さ３００μｍの絶縁層５と厚さ７０μｍ
の導電層（銅箔）６とから構成される。 【００１６】絶縁層が０．３０mmの場合、図１の測定法
では第１絶縁層は１．４℃／Ｗ，第２絶縁層は６℃／Ｗ
であった。但し、Ｔ1 −Ｔ2 ＝ΔＴ、ΔＴ／Ｗ＝熱抵抗
（放熱性）であり、前記Ｔ1 はトランジスタ３の発熱面
の温度、前記Ｔ2 はヒートシンク２とベース金属板４の
境界である熱伝導面の温度である。 【００１７】本発明において、第１絶縁層の充填材を最
大で８０重量部に保った理由は、充填材を含まない第２
絶縁層の絶縁耐力（一例：１８ＫＶ）に比べて、無機充
填材８０重量部，樹脂２０重量部の場合で、絶縁耐力
（一例：１２ＫＶ）が同じ絶縁厚さで比較して６７％と
なるために上限の充填材を最大で８０重量部，樹脂２０
重量部に保った。下限の無機充填材を５０重量部に保っ
た理由は、図２の熱抵抗の実測例から決めた。 【００１８】本発明において、無機充填材混合樹脂中に
酸化アルミニウム，窒化ホウ素，二酸化珪素を含ませた
のは、次の理由による。即ち、熱伝導性（Ｗatt ／ｍ・
℃）で比較すると、窒化ホウ素は１２０〜１３５，酸化
アルミニウムは約２０，二酸化珪素は約２，樹脂は約
０．８で、これらの混合樹脂はこれらの混合比例で決定
される。ここで、前記熱誘電率とは、１メータの距離を
持つ物体が１℃上昇する時の熱エネルギーから換算した
数値で、大きい程熱をよく伝導することを意味する。 【００１９】一方、価格面では二酸化珪素が安く、次は
酸化アルミニウム，窒化ホウ素は高価な為、単一での使
用は考えられない。本発明の第１絶縁層は８〜９Ｗatt
／ｍ・℃で、実用上は実施例２の配合が示す通り酸化ア
ルミニウムと樹脂が主体になる。 【００２０】本発明において、窒化アルミニウム（１〜
２５重量部）と二酸化珪素（１〜１０重量部）の樹脂混
合は前述の誘電率（ε）を低下させる為に使用される
が、請求項１の下限に近い範囲が絶縁特性（耐電圧）の
向上のために効果的である。因みに、これら無機材料単
体の誘電率は、窒化ホウ素９〜９．５、酸化アルミニウ
ム８．５〜９、二酸化珪素３〜３．５である。誘電率を
低く、熱伝導性を改善するために、本発明の配合比を選
んだ。 【００２１】本発明においては、特許請求の範囲の請求
項２のように、第３絶縁層の厚みを０．０２〜０．１０
mmとするのは、第１絶縁層と第２絶縁層の近接する境界
部絶縁の信頼性向上のためにより効果的であるからであ
る。 【００２２】しかも、高誘電率，高熱伝導率をもつ第１
絶縁層の信頼性を向上させ、かつ第２絶縁層の低誘電率
層の持つ特徴，即ち低誘電率，低熱伝導率を妨げない範
囲は、第２絶縁層が３００μｍの場合，導電層側の第３
絶縁層が０．０２mm（２０μｍ）では約６％の比率，
０．１mmでは２５％の比率となり、低誘電率，低熱伝導
率の特徴を大きく妨げない。 【００２３】本発明において、高温多湿（例えば、８５
℃８５％ＲＨ湿度雰囲気）中における直流電圧の課電時
における，マイグレーション現象（銅イオンの絶縁体中
への移行と，これに基づく絶縁破壊）の抑制に効果があ
る。 【００２４】本発明において、熱硬化性樹脂の配合割合
を２０〜５０重量部としたのは、樹脂比率が２０重量部
未満の場合十分な耐電圧性が得られず、５０重量部を越
えると、十分な放熱性が得られないからである。従っ
て、十分な耐電圧性を必要とする場合、前記耐電圧性絶
縁体中の樹脂の割合を２０〜２０重量部とする。勿論，
樹脂比率が高ければ耐電圧性はより一層向上するが、本
発明で求める高熱伝導性絶縁体と接する同一平面上に形
成された耐電圧性絶縁層は、絶縁体中の熱硬化性樹脂と
充填剤の比率の内、樹脂を２０〜５０重量部に保つ。そ
の理由は、十分な放熱性と耐電圧性を保つ為には、必要
不可欠な条件である。 【００２５】一方、放熱性を必要とするエリアは耐電圧
性をある程度犠牲にして、絶縁体の主成分である樹脂と
充填剤の比率のうち、充填剤の割合を５０重量部以上に
保つ。その理由は、充填剤の割合が５０重量部未満の場
合、十分な放熱性が得られないからである。従って、十
分な放熱性を望む場合は、前記高熱伝導性絶縁体中の充
填剤の割合を５０重量部以上とする。 【００２６】本発明において、無機充填材混合樹脂中の
各充填材，即ち酸化アルミニウム，窒化ホウ素，二酸化
珪素，珪酸マグネシウムを，熱硬化性樹脂を上記のよう
に限定したのは、下記の理由による。 【００２７】(1) 絶縁体の一部を構成する第１絶縁層の
引張弾性率は1100〜1800Kgｆ／mm2、高熱伝導率の元
で、十分な剛性と低い膨脹係数，高いガラス転移点（Ｔ
ｇ）が必要とされている。ここで、膨脹係数，Ｔｇは、
金属ベ−スとして１．５mmのアルミニウム板を用い、導
電層として0.035mm の厚さの銅箔を用い、この間に絶縁
体を構成する第１〜第３絶縁層を介在させた金属基板に
ついて測定した結果、第１絶縁層についてはＴｇは140
℃、膨脹係数（Ｔｇ以下の温度）は1.61〜5.9 ×10-5／
℃であり、また第２・第３絶縁層の引張弾性率は600 〜
900 Kgｆ／mm2 で第１絶縁層に比べてＴｇは100 ℃，線
膨脹係数は1.5 〜3.8 ×10-5／℃で柔軟性に富んで構成
されている。 【００２８】(2) 上記第１〜第３絶縁層を同一平面上に
構成する場合、第１絶縁層が異常にオ−バ−ヒ−トされ
たとき、高いＴｇ（140 ℃）と低い線膨脹係数1.61〜5.
9 ×10-5／℃が基板の反り，ねじれを吸収し、第２・第
３絶縁層のガラス転移点100℃，線膨脹係数は3.8 ×10
-5／℃でこれに接する第１絶縁層の線膨脹係数は2.77×
10-5／℃である。金属ベ−スのアルミニウムは2.4 ×10
-5／℃で、お互いの材料がバランスに富む点が本発明の
無機充填材を選択した理由である。 【００２９】（3）第１絶縁層に含まれる酸化アルミニ
ウムは、上述したように５０〜７２重量部に設定すると
十分な熱伝導性が得られる。しかし、酸化アルミニウム
は樹脂に対して硬さが増し、引張弾性率が高く、金属基
板の絶縁体としては単独では充填率を高くすることが困
難である。従って、酸化アルミニウム以外に、前記二酸
化硅素，窒化ホウ素を夫々１〜１０重量部配合して柔軟
性と剛性を兼ね備えるようにした。また、これら無機充
填材の熱硬化性樹脂に対する比率を、最大で８０：２０
を上限とすることが各無機充填材の特性を生かす上で効
果的である。 【００３０】 【作用】本発明において、熱伝が優れた絶縁層と熱伝が
劣る絶縁層が同一平面上に構成された導電層を持つ回路
用金属基板であるため、パワー部品の放熱性を改善し、
しかも、近接する熱伝が劣る絶縁層上の導電層上の部品
実装に対する熱煽りが低減された。パワー部品の放熱は
下部ベース金属を通して真下に放熱される結果、部品実
装に最適で信頼性が一段と向上した。 【００３１】 【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 （実施例１）図３（Ａ），（Ｂ）を参照する。ここで、
図３（Ａ）は回路用金属基板の断面図、図３（Ｂ）は図
３（Ａ）の絶縁層の平面図を示す。 【００３２】図中の31は、厚さ２．０mmで銅製の金属ベ
ースである。この金属ベース31上には、厚さ０．３０mm
の絶縁体32を介して厚さ０．０７mmの複数の電極（導電
層）33が設けられている。ここで、前記絶縁体32は、厚
み０．３０mmの第１絶縁層32ａと、この第１絶縁層32ａ
に接して設けられ，かつ第１絶縁層32ａと同じ厚みの第
２絶縁層32ｂからなる。 【００３３】前記第１絶縁層32ａは、厚さ０．１１mmの
ガラス繊維不織布（２５ｇ／ｍ2 ）に、下記表２に記載
したイミダゾール（硬化促進剤），無機充填材（酸化ア
ルミニウム，窒化ホウ素，二酸化珪素）及び熱硬化性樹
脂（樹脂１〜樹脂３）の混合樹脂を塗布して仕上がり厚
さ０．１５mmを２枚用いたものである。 【００３４】前記第２絶縁層32ｂは、厚さ０．０５mmの
芳香族ポリアミド繊維不織布（２０ｇ／ｍ2 ）に、充填
材の入らない熱硬化樹脂を塗布して仕上がり厚さ０．０
６mmを５枚用いたものである。 【００３５】 【表２】【００３６】但し、表２において、樹脂１はフェノール
ノボラック形エポキシ樹脂、樹脂２はビスフェノール型
エポキシ樹脂、樹脂３はクレゾールノボラック形エポキ
シ樹脂を示す。なお、表２中の熱抵抗（Watt／℃）は、
厚み１．５mm，形状３０（Ｌ1 ）mm×３０（Ｌ1 ）mmの
ベース金属（銅板）41上に厚さ０．３mmの絶縁体42を介
して厚さ０．０７mm，形状１０（Ｌ2 ）mm×１４（Ｌ
3 ）mmの銅箔43を形成した図４の試験片で、図１の試験
方法で測定した。但し、図４において、符号41は厚みＴ
1 ：１．５mmのベース金属、符号42は横Ｌ1 ：３０mm，
縦Ｌ1 ：３０mmで厚みＴ2 ：０．３mmの絶縁体、符号43
は横Ｌ2 ：１０mm，縦Ｌ3 ：１４mmで厚みＴ3 ：０．３
mmの銅箔を示す。また、表２中の誘電率は、図５に示す
ように試料を配置して測定した（但し、符号52は主電
極，符号53は電極を示す）。高温多湿（例えば、８５
℃，８５％ＲＨ湿度雰囲気）中における直流電圧の課電
時のおける、電圧と寿命の関係は、下記表３に示す通り
である。 【００３７】 【表３】 【００３８】このように、上記実施例１に係る回路用金
属基板は、金属ベ−ス31と、この金属ベ−ス31上に形成
された絶縁体32と、この絶縁体32上に形成された電極33
とを具備し、前記絶縁体32が、第１絶縁層32ａと該第１
絶縁層32ａに近接して形成されかつ第１の絶縁層32ａと
同一面の第２絶縁層32ｂとからなり、前記第１絶縁層32
ａが、ガラス繊維不織布に上記表２に記載した所定の熱
硬化性樹脂及び無機充填剤を混合した樹脂を塗布したも
のであり、前記第２絶縁層32ｂが、ガラス繊維混抄の芳
香族ポリアミド繊維不織布に所定の熱硬化性樹脂を塗布
含浸したものであり、更に前記第１絶縁層32ａと第２絶
縁層32ｂが同一熱硬化反応機能を有する絶縁体である構
成となっている。 【００３９】しかるに、前記第１絶縁層32ａは無機充填
材として窒化ホウ素，二酸化珪素及び酸化アルミニウム
を含むため、誘電率の低下，熱抵抗の低下に顕著な効果
が得られた。また、第２絶縁層32ｂがガラス繊維混抄の
芳香族ポリアミド繊維不織布に所定の熱硬化性樹脂を塗
布含浸したものであるため、低誘電率，低静電容量，低
熱伝導性に顕著な効果が得られた。事実、実施例１に係
る回路用金属基板に関する電極のピール強度，半田耐熱
などの特性は下記表４に示す通りである。 【００４０】 【表４】【００４１】（実施例２〜４）実施例２〜４に係る回路
用金属基板は、金属ベース，第１絶縁層及び第２絶縁層
からなる絶縁体，及び電極の基本的な構成は実施例１と
同じであり、無機充填材としての酸化アルミニウム，窒
化ホウ素，二酸化ケイ素は前記した表３の通りである。 【００４２】実施例２〜４についても、実施例１と同様
に、誘電率の低下，熱抵抗の低下に顕著な効果が得られ
るとともに、低誘電率，低静電容量，低熱伝導性に顕著
な効果が得られた。 【００４３】（比較例１）比較例１に係る回路用金属基
板は、金属ベース，第１絶縁層及び第２絶縁層からなる
絶縁体，及び電極の基本的な構成は実施例１と同じであ
り、酸化アルミニウム，窒化ホウ素，二酸化ケイ素は前
記した表３に示す通りである。 【００４４】表３から明らかのように、比較例１の場合
は実施例１〜４と比べて、熱抵抗が高く、逆に誘電率が
低いことが確認できた。従って、表３より本発明が比較
例と比べて優れていることが明らかである。 【００４５】（実施例５）図６（Ａ），（Ｂ）を参照す
る。ここで、図６（Ａ）は回路用金属基板の断面図、図
６（Ｂ）は図６（Ａ）の絶縁層の平面図を示す。なお、
図３と同部材は同符号を付して説明を省略する。 【００４６】図中の符号61は厚さ０．３０mmの絶縁体32
上に形成された第３絶縁層であり、この上に複数の電極
33が形成されている。前記第３絶縁層61は、上記実施例
１の第１絶縁層と同じ組成となっている。上記実施例５
に係る回路用金属基板に関する電極のピール強度，半田
耐熱などの特性は下記表５に示す通りである。 【００４７】 【表５】 上記表５より、実施例５に係る本発明が、実施例１と同
様に、誘電率の低下，熱抵抗の低下に顕著な効果が得ら
れ、低誘電率，低静電容量，低熱伝導性に顕著な効果が
得られることが確認できた。 【００４８】 【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、放電
用金属ベースと導電層間の絶縁体を第１絶縁層と該第１
絶縁層と同一面に近接して形成した第２絶縁層と前記第
１絶縁層と第２絶縁層の両絶縁層上に形成した第３絶縁
層から構成し、前記第１絶縁層はガラス繊維不織布に酸
化アルミニウム５０〜７２重量部，窒化ホウ素１〜２５
重量部，二酸化珪素１〜１０重量部，熱硬化性樹脂２０
〜５０重量部からなる無機充填剤混合樹脂を塗布したも
のとし、前記第２絶縁層は芳香族ポリアミド繊維不織布
もしくはガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維不織布に
熱硬化性樹脂を塗布したものとし、前記第３絶縁層は酸
化アルミニウム５０〜７５重量部、窒化ホウ素１〜２５
重量部、二酸化珪素１〜１０重量部、熱硬化性樹脂２０
〜５０重量部からなる無機充填材混合樹脂を０．０２〜
０．１０ｍｍの一様な厚さに塗布してなる構成とするこ
とにより、放熱性、耐電圧性、耐ノイズ性に優れた回路
用金属基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トランジスタの熱抵抗を測定するための方法を
示す説明図。 【図２】この発明の回路用金属基板に係る絶縁体を構成
する第１絶縁層の放熱性を示す特性図。 【図３】この発明の実施例１に係る回路用金属基板の説
明図であり、図３（Ａ）は断面図、図３（Ｂ）は図３
（Ａ）の平面図。 【図４】この発明に係る回路用金属基板の熱抵抗を測定
するための説明図。 【図５】この発明に係る回路用金属基板の誘電率を測定
するための説明図。 【図６】この発明の実施例５に係る回路用金属基板の説
明図であり、図６（Ａ）は断面図、図６（Ｂ）は図６
（Ａ）の平面図。 【符号の説明】 31…金属ベ−ス、 32…絶縁体、 32
ａ…第１絶縁層、32ｂ…第２絶縁層、 33…電
極、 61…第３絶縁層。
示す説明図。 【図２】この発明の回路用金属基板に係る絶縁体を構成
する第１絶縁層の放熱性を示す特性図。 【図３】この発明の実施例１に係る回路用金属基板の説
明図であり、図３（Ａ）は断面図、図３（Ｂ）は図３
（Ａ）の平面図。 【図４】この発明に係る回路用金属基板の熱抵抗を測定
するための説明図。 【図５】この発明に係る回路用金属基板の誘電率を測定
するための説明図。 【図６】この発明の実施例５に係る回路用金属基板の説
明図であり、図６（Ａ）は断面図、図６（Ｂ）は図６
（Ａ）の平面図。 【符号の説明】 31…金属ベ−ス、 32…絶縁体、 32
ａ…第１絶縁層、32ｂ…第２絶縁層、 33…電
極、 61…第３絶縁層。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 今村 一彦
神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号
富士電機株式会社内
(72)発明者 岡本 健次
神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号
富士電機株式会社内
(56)参考文献 特開 平６−90071（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H05K 1/05
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 放熱用金属ベースと、この金属ベースの
少なくとも片面に絶縁体を介して設けられた導電層とを
具備する回路用金属基板において、前記絶縁体が、第１
絶縁層と、該第１絶縁層と同一面に近接して形成した第
２絶縁層と、前記第１絶縁層と第２絶縁層の両絶縁層上
に形成した第３絶縁層からなり、 前記第１絶縁層が、ガラス繊維不織布に酸化アルミニウ
ム５０〜７２重量部，窒化ホウ素１〜２５重量部，二酸
化珪素１〜１０重量部，熱硬化性樹脂２０〜５０重量部
からなる無機充填剤混合樹脂を塗布したものであり、 前記第２絶縁層が、芳香族ポリアミド繊維不織布もしく
はガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維不織布に熱硬化
性樹脂を塗布したものであり、前記第３絶縁層が、酸化アルミニウム５０〜７５重量
部、窒化ホウ素１〜２５重量部、二酸化珪素１〜１０重
量部、熱硬化性樹脂２０〜５０重量部からなる無機充填
材混合樹脂を０．０２〜０．１０ｍｍの一様な厚さに塗
布してなる ことを特徴とする回路用金属基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03849895A JP3429594B2 (ja) | 1995-02-27 | 1995-02-27 | 回路用金属基板 |
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|---|---|---|---|---|
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