JP4631785B2 - 金属ベース回路板及びその製造方法、実装部品、モジュール - Google Patents

Description

本発明は、各種部品を実装して用いられる金属ベース回路板及びその製造方法、部品を金属ベース回路板に実装して形成される実装部品、実装部品を回路基板に実装して形成されるモジュールに関するものである。

より詳しくは、本発明は、高熱伝導特性と低熱膨張特性を必要とする小型部品を実装する金属ベース回路板に関するものであり、特に小型部品をダイボンディングしてからワイヤーボンディングにより回路接続を行う実装部品に関するものである。

電源基板にはアルミ板や銅板を金属ベースとした金属基板が一般的に使用されているが、回路には一般的に銅が使用されている（例えば、特許文献１，２参照。）。パワーＩＣや高輝度ＬＥＤ等の発熱部品を実装して使用する場合には、一般的には、直接銅回路に実装するのではなく、熱膨張特性が実装部品と同等の合金材等を接合してから部品が実装されている。

この他に、銅リードフレームを使用して、放熱特性を確保しつつ、放熱性の高い接着剤で部品を接合し、応力緩和をさせて使用するモジュールが設計されている例もある。

ところで、低α特性（低熱膨張特性）を有する銅インバー材は、シリコンとの熱膨張係数を合わせることができるので、銅インバー材をあらかじめ基板に半田実装して、この銅インバー材にシリコンを実装すれば、基板との熱膨張係数の違いを吸収することができ、クラック等が起きない。

これらの例では、発熱部品をあらかじめ回路状に形成した基板に実装する工程を経るのが一般的である。
特開２００１−２５１０３７号公報 特開２００５−７２３８２号公報

しかしながら、従来は実装時の加熱及び使用前後の室温と高温での熱膨張係数の差により、反り・剥離・クラック等が問題になることが多かった。このような問題は、基板面積が大きくなる場合には、特に顕著に現れる。

また、熱膨張係数の異なる材料を接着剤で熱硬化させて一体化させることがよく行われているが、応力緩和のために弾性率の小さい、熱伝導率の良くない材料が使用されるのが一般的で、反り等の低減も可能であるが、発熱部品を搭載した際に、上記とは逆に放熱特性が悪化するという問題があり、熱膨張係数の不適合と放熱特性のバランスを保つのは非常に困難であった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、クラック・割れ・剥離・反り等が発生するのを防止することができると共に高い放熱性を得ることができる金属ベース回路板及びその製造方法、実装部品、モジュールを提供することを目的とするものである。

より詳しくは、本発明は、金属ベース回路板を形成するにあたって、熱膨張係数の異なる金属材料を使用した場合であっても、これらの金属材料間の剥離を防止することができる技術を提供することを目的とするものであり、しかも前記金属ベース回路板は高い放熱特性も有しているので、特に発熱部品が実装される電源モジュールやＬＥＤモジュール用途に好適に使用することができるものである。

本発明の請求項１に係る金属ベース回路板は、回路層１を絶縁樹脂層２で金属板３に接着して形成される金属ベース回路板４であって、回路層１の一部が絶縁樹脂層２に埋め込まれていると共に、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５に比べて金属板３の接着面６が大きいことを特徴とするものである。

また、請求項１に係る発明は、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５の外周縁から金属板３側に下ろした垂線Ｈに対して外向きに４５°の角度で下ろした仮想線Ａ上又はその外側に、金属板３の絶縁樹脂層側と反対側の底面７の外周縁が位置して成ることを特徴とするものである。

また、請求項１に係る発明は、回路層１及び金属板３を平面視円形状に形成すると共に、これらを同心円状に配置して成ることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１において、回路層１の厚みが１５０μｍ以上であると共に、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５と金属板３の接着面６との間における絶縁樹脂層２の厚みが８０μｍ以下であり、絶縁樹脂層２の熱伝導率が３Ｗ／ｍｋ以上であることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、絶縁樹脂層２が、平均粒径５μｍ以下のフィラーを６０〜９５質量％含有する樹脂組成物の硬化物で形成されていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、回路層１が、タングステン、タングステンを含む合金、鉄ニッケル系合金のいずれかの材料で形成されていることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、金属板３に凹凸形状を設けて放熱フィン８を形成して成ることを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、絶縁樹脂層２に反射板９を設置して成ることを特徴とするものである。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、金属板３を変形させることによって反射板１０を形成して成ることを特徴とするものである。

本発明の請求項８に係る実装部品は、請求項１乃至７のいずれかに記載の金属ベース回路板４の回路層１に部品１１を実装して成ることを特徴とするものである。

本発明の請求項９に係るモジュールは、請求項８に記載の実装部品１９を回路基板１２に実装して成ることを特徴とするものである。

本発明の請求項１０に係る金属ベース回路板の製造方法は、成型用下プレート１３の上面に設けた複数の凹部１４にそれぞれ平面視円形状に形成された回路層１を配置し、これらの回路層１を覆うように、絶縁樹脂層２を形成するための絶縁樹脂シート１５と金属板３をこの順に重ね、下面が平滑な成型用上プレート１６と前記成型用下プレート１３で熱圧着成型した後に、複数の回路層１が絶縁樹脂層２で接着された金属板３を取り出し、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５に比べて金属板３の接着面６が大きくなるように、回路層１ごとに回路層１と同心円状の平面視円形状に金属板３を打ち抜いて個片化して、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５の外周縁から金属板３側に下ろした垂線Ｈに対して外向きに４５°の角度で下ろした仮想線Ａ上又はその外側に、金属板３の絶縁樹脂層側と反対側の底面７の外周縁が位置するように形成することを特徴とするものである。

本発明の請求項１１に係る金属ベース回路板の製造方法は、複数の凹部１４を上面に設けて成型用下プレート１３が形成されると共に、前記凹部１４の開口面積よりも大きい開口面積を有する貫通穴１７を前記凹部１４と同数設けて穴あきプレート１８が形成され、前記複数の凹部１４にそれぞれ平面視円形状に形成された回路層１を配置し、各回路層１が各貫通穴１７に収容されるように位置合わせを行いつつ、成型用下プレート１３の上面に穴あきプレート１８を重ね、各貫通穴１７に絶縁樹脂層２を形成するための絶縁樹脂シート１５と平面視円形状に形成された金属板３を、回路層１と金属板３とが同心円状に配置されるようにこの順に重ねて入れた後に、下面が平滑な成型用上プレート１６と前記成型用下プレート１３で熱圧着成型して、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５の外周縁から金属板３側に下ろした垂線Ｈに対して外向きに４５°の角度で下ろした仮想線Ａ上又はその外側に、金属板３の絶縁樹脂層側と反対側の底面７の外周縁が位置するように形成することを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る金属ベース回路板によれば、回路層と金属板の熱膨張係数が大きく異なっていても、回路層の一部が絶縁樹脂層に埋め込まれていることによって、熱による応力を樹脂全体で受け止めることができ、クラック・割れ・剥離・反り等が発生するのを防止することができるものであり、また、回路層の絶縁樹脂層側の底面に比べて金属板の接着面が大きいことによって、高い放熱性を得ることができるものである。また、各種部品が実装される回路層は通常は高価な材料で形成されるが、この回路層は金属板に比べて小さいものであるため、コストを最小限に抑えることができるものである。

また、回路層の絶縁樹脂層側の底面の外周縁から金属板側に下ろした垂線に対して外向きに４５°の角度で下ろした仮想線上又はその外側に、金属板の絶縁樹脂層側と反対側の底面の外周縁が位置することによって、放熱効率をさらに向上させることができるものである。

また、回路層が平面視円形状に形成されていることによって、発熱前と発熱時の温度差が大きな部品を回路層に実装する場合であっても、熱による応力を低減することができるものである。

請求項２に係る発明によれば、回路層の厚みが１５０μｍ以上であることによって、部品実装時の回路層のたわみの発生を防止しつつ、高い熱放散性を得ることができるものであり、また、絶縁樹脂層の厚みが８０μｍ以下、熱伝導率が３Ｗ／ｍｋ以上であることによって、熱抵抗値を０．３℃／Ｗ以下とすることができるので、発熱を低く抑えることができるものである。

請求項３に係る発明によれば、絶縁樹脂層の絶縁特性及び密着性を確保しつつ、機械特性面で熱衝撃試験における信頼性を高めることができると共に、高熱伝導率を有する絶縁樹脂層を形成することができるものである。

請求項４に係る発明によれば、低熱膨張係数と高熱伝導率のバランスの非常に良い材料で回路層が形成されていることによって、部品から発生した熱を効率的に放散しつつ、部品との熱膨張係数（α）の不適合による部品のクラック・割れ・剥離等が発生するのを防止することができるものである。

請求項５に係る発明によれば、放熱フィンによって、さらに高い放熱性を得ることができるものである。

請求項６に係る発明によれば、部品としてＬＥＤを回路層に実装する場合に、ＬＥＤから出る光を反射板で所望の方向に反射させることができるものである。また、金属製の反射板を用いる場合には、この反射板は絶縁樹脂層に設置されるので、絶縁信頼性を得ることができるものである。

請求項７に係る発明によれば、絞り加工等による金属板の変形によって反射板を形成することにより、別に反射板を設置する必要がなくなり、部品点数を削減することができるものである。

本発明の請求項８に係る実装部品によれば、回路層に実装された部品が発熱しても、回路層の一部が絶縁樹脂層に埋め込まれていることによって、熱による応力を樹脂全体で受け止めて、熱膨張係数の差を吸収することができ、クラック・割れ・剥離・反り等が発生するのを防止することができるものであり、また、回路層に比べて金属板が大きいことによって、高い放熱性を得ることができるものである。

本発明の請求項９に係るモジュールによれば、ＬＥＤモジュールやパワーＩＣ搭載モジュール等の各種機能モジュールに仕上げることができるものである。

本発明の請求項１０に係る金属ベース回路板の製造方法によれば、クラック・割れ・剥離・反り等が発生するのを防止することができると共に高い放熱性を得ることができる金属ベース回路板を容易に得ることができるものである。

本発明の請求項１１に係る金属ベース回路板の製造方法によれば、クラック・割れ・剥離・反り等が発生するのを防止することができると共に高い放熱性を得ることができる金属ベース回路板を容易に、かつ一度に複数得ることができるものである。また、打抜き加工が伴うと剥離等が発生する可能性があるが、最初から回路板・絶縁樹脂シート・金属板を個片化して、打抜き加工を不要とすることによって、剥離等の発生の可能性を排除することができるものである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明に係る金属ベース回路板の一例を示すものであり、この金属ベース回路板４は、回路層１を絶縁樹脂層２で金属板３に接着して形成されるものである。回路層１にはＬＥＤ等の各種発熱部品１１が実装される。

回路層１を形成する材料は特に限定されるものではないが、回路層１は、タングステン、タングステンを含む合金（例えば、銅タングステン合金等）、鉄ニッケル系合金のいずれかの材料で形成されていることが好ましい。これらの材料と各種発熱部品１１の熱膨張係数の差は比較的小さいため、両者をダイボンディングにより接着しても、後に剥離等の問題は生じにくい。また、タングステン、タングステンを含む合金、鉄ニッケル系合金はいずれも、低熱膨張係数と高熱伝導率のバランスの非常に良い材料であり、このような材料で回路層１が形成されていることによって、他の材料を用いる場合に比べて、部品から発生した熱を効率的に放散しつつ、部品との熱膨張係数（α）の不適合による部品のクラック・割れ・剥離等が発生するのを防止することができるものである。

また、絶縁樹脂層２を形成する材料も特に限定されるものではないが、絶縁樹脂層２は、平均粒径５μｍ以下（下限は１μｍ）のアルミナ等のフィラーを６０〜９５質量％含有するエポキシ樹脂等の樹脂組成物の硬化物で形成されていることが好ましい。これにより、絶縁樹脂層２の絶縁特性及び密着性を確保しつつ、機械特性面で熱衝撃試験における信頼性を高めることができると共に、高熱伝導率を有する絶縁樹脂層２を形成することができるものである。しかし、フィラーの平均粒径が５μｍより大きいと、絶縁樹脂層２の厚み（回路層１の絶縁樹脂層側の底面５と金属板３の接着面６との間における絶縁樹脂層２の厚みをいう。以下同じ。）を薄くして熱抵抗を小さくすることができないおそれがある。また、フィラーの含有量が６０質量％より少ないと、熱伝導率を十分に高めることができないおそれがあり、逆に、フィラーの含有量が９５質量％より多いと、充填が難しくなり、ボイド等が原因の耐電圧不良や密着性不良が発生し易くなる。

熱伝導率を高くするためには、フィラーの平均粒径を大きくして、充填量を高くするのが、一般的ではあるが、厚みを薄くして熱抵抗を小さくするためには、平均粒径の小さいフィラーを使用しなければならない。熱抵抗を半分にすることは、厚みを半分にすれば簡単に達成できるが、熱伝導率を倍にするためには、かなり多量のフィラーを充填しなければならず、絶縁特性や密着性を阻害する可能性が出てくる。

絶縁樹脂層２の熱膨張係数は、フィラーを高充填すればするほど、回路層１の熱膨張係数に近づけることができるので、機械特性面で熱衝撃試験における信頼性を高めることができるものである。

非常に薄い絶縁樹脂層２を形成する場合に使用するフィラーの平均粒径は絶縁樹脂層２の厚みの１／１０以下であることが望ましく、１／２０以下（下限は１／５０）であることがより望ましい。例えば、絶縁樹脂層２の厚みが５０μｍである場合には、フィラーの平均粒径は５μｍ以下であることが望ましく、２．５μｍ以下であることがより望ましい。

絶縁樹脂層２にフィラーを充填すると、熱伝導率が向上するという効果以外に、熱膨張係数が低減するという効果も得られる。回路層１と金属板３の熱膨張係数を一致させるためには、フィラーを高充填することが望ましく、そのため上述のようにフィラーの含有量は６０質量％以上であることが望ましい。

回路層１にはＬＥＤ等の部品１１が直に実装されて熱伝導経路が形成されるので、回路層１の厚みは熱伝導上非常に重要である。具体的には、回路層１の厚みは１５０μｍ以上であることが好ましく、２００μｍ以上（上限は５００μｍ）であることがより好ましい。このように回路層１の厚みが１５０μｍ以上であることによって、部品実装時の回路層１のたわみの発生を防止しつつ、高い熱放散性を得ることができるものである。しかし、回路層１の厚みが１５０μｍより薄いと、部品実装時において回路層１のたわみが発生するおそれがある。

また、熱伝導率が高くて、厚みが薄い絶縁樹脂層２は熱放散性に優れている。絶縁樹脂層２を形成するための樹脂組成物を、熱伝導率が２倍の材料に設計することは難しいが、絶縁樹脂層２の厚みを半分にすることは簡単である。結局熱抵抗的にはどちらも同じ効果となる。そこで、絶縁樹脂層２の厚みは８０μｍ以下（下限は２０μｍ）であり、絶縁樹脂層２の熱伝導率は３Ｗ／ｍｋ以上（上限は１０Ｗ／ｍｋ）であることが好ましい。これにより、熱抵抗値を０．３℃／Ｗ以下とすることができるので、非常に優れた熱放散性を得ることができ、発熱を低く抑えることができるものである。なお、絶縁機能が不要であれば、極力薄い絶縁樹脂層２とすることで、熱放散性は極大化させることが可能となる。厚み５０μｍの絶縁樹脂層２の耐電圧は一般的にＡＣ５ＫＶ程度であり、低電圧での使用には十分である。厚みを１００μｍとして、ハイパワー電源用途に使用する場合は、熱抵抗値を同じにしようとすれば、熱伝導率は６Ｗ／ｍｋとしなければならず、絶縁樹脂設計が非常に難しくなる。

また、金属板３も特に限定されるものではないが、銅板、アルミ板、鉄板等を用いることができる。

そして、本発明に係る金属ベース回路板にあっては、図１に示すように、回路層１の一部が絶縁樹脂層２に埋め込まれていると共に、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５に比べて金属板３の接着面６が大きい。回路層１に実装されるＬＥＤ等の部品１１と金属板３の熱膨張係数は通常は大きく異なっており、ＬＥＤ等の部品１１の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有する材料で回路層１を形成すると、この回路層１と金属板３の熱膨張係数が大きく異なることになる。しかし、図１に示すような金属ベース回路板４によれば、回路層１と金属板３の熱膨張係数が大きく異なっていても、回路層１の一部が絶縁樹脂層２に埋め込まれていることによって、熱による応力を樹脂全体で受け止めることができ、クラック・割れ・剥離・反り等が発生するのを防止することができるものであり、また、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５に比べて金属板３の接着面６が大きいことによって、高い放熱性を得ることができるものである。また、各種部品１１が実装される回路層１は通常は高価な材料で形成されるが、この回路層１は金属板３に比べて小さいものであるため、コストを最小限に抑えることができるものである。

上記のように回路層１の一部を絶縁樹脂層２に埋め込むと、回路層１の底面５のみならず回路層１の側面も絶縁樹脂層２で保持されることとなり、これにより回路層１と絶縁樹脂層２との接着強度が向上する。そのため、粗化処理が難しいタングステンのような材料で回路層１が形成されていても、高いランド強度を保持することができる。さらに、回路層１と絶縁樹脂層２の熱膨張係数が大きく異なる場合であっても、絶縁樹脂層２が回路層１の周囲を保持しているので、高い接着信頼性を有するものである。

また、ＬＥＤ等の部品１１が実装される回路層１は金属材料で形成されるので熱伝導が良いが、これに比べて熱伝導率の一桁小さい絶縁樹脂層２への熱伝導を少しでも良くする方法としては、上述のように回路層１を絶縁樹脂層２に埋め込むことが非常に有効である。

また、回路層１に実装される部品１１がシリコン等のように熱膨張係数が小さいものであって、金属板３が銅等のように熱膨張係数が大きいものである場合に、回路層１を形成する材料として銅を選択すると、前記部品１１と回路層１の熱膨張係数の差が大きくなり、高温になった場合の寸法差により反りや剥離が発生し、信頼性が大幅に低下する。そこで、各種金属板３の熱膨張係数の１／３以下の熱膨張係数を有する材料で回路層１を形成するのが好ましい。これにより、前記部品１１と回路層１の熱膨張係数の差が小さくなり、高温になった場合でも反りや剥離が発生しにくくなり、実装信頼性を高く得ることができる。この場合、回路層１と金属板３の熱膨張係数の差が大きくなるが、上述のように回路層１と金属板３の間に介在する絶縁樹脂層２に回路層１の一部が埋め込まれていることによって、また、金属板３に比べて回路層１が小さいことによって、高温になった場合でも反りや剥離が発生しにくくなっている。

また、図７に示すように、本発明では、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５の外周縁から金属板側に下ろした垂線Ｈに対して外向きに４５°の角度で下ろした仮想線Ａ上又はその外側に、金属板３の絶縁樹脂層側と反対側の底面７の外周縁が位置している。これにより、回路層１に実装される発熱部品１１からの熱を効率良く移動させて放散させることができ、放熱効率をさらに向上させることができるものである。しかし、仮想線Ａの内側に金属板３の底面７の外周縁が位置している場合には、放熱効率が悪化するおそれがある。また、前記垂線Ｈに対して６０°の角度で下ろした仮想線Ｂ上又はその内側に、金属板３の底面７の外周縁が位置しているのが好ましい。これにより、無駄な材料費を抑えることができるものである。つまり、仮想線Ｂの外側に金属板３の底面７の外周縁が位置している場合には、金属板３が大きすぎて材料費が無駄になる。なお、金属板３が金属製のシャーシ等に接合されてさらに外部へ熱放散する構造（図示省略）を有している場合には、仮想線Ａよりも外側に金属板３の底面７の外周縁が位置していると、熱放散的にもコスト的にも無駄となるので、仮想線Ａ上に金属板３の底面７の外周縁が位置するように構造設計することが重要である。

また、回路層１及び金属板３の形状は、図１に示すように、回路層１及び金属板３を平面視円形状に形成すると共に、これらを同心円状に配置するものである。このように回路層１が平面視円形状に形成されていることによって、発熱前と発熱時の温度差が大きな部品を回路層１に実装する場合であっても、熱による応力を低減して信頼性を高く得ることができるものである。しかし、回路層１の形状が角部を有する形状であると、その角部からクラックが発生し易くなるおそれがある。

次に、上述した金属ベース回路板４を製造する方法について説明する。この製造方法には２つの方法があるので順に説明する。

まず、金属ベース回路板４を製造する第１の方法について説明する。この方法ではまず、図２（ａ）に示すように、成型用下プレート１３の上面に設けた複数の凹部１４にそれぞれ回路層１を配置する。回路層１を配置する前に、成型用下プレート１３の上面（凹部１４の内面も含む）にテフロン（登録商標）コーティングを行って離型性を付与しておいてもよい。また、前記凹部１４の形状は、回路層１を固定できる形状であれば、特に限定されるものではない。また、図２や図３に示すように、凹部１４の深さは回路層１の厚みより浅いが、このようにしているのは、回路層１の一部（成型用下プレート１３の表面から突出した部分）を絶縁樹脂層２に埋め込むためである。しかし、図４に示すように、凹部１４の開口縁に段部２１を設けて樹脂が流入するスペースを確保しておけば、凹部１４の深さは回路層１の厚みと同一又はこれより深くてもよい。前記スペースに樹脂が流入して、回路層１の一部が絶縁樹脂層２に埋め込まれるからである。

次に、図２（ａ）（ｂ）に示すように、前記複数の回路層１を覆うように、絶縁樹脂層２を形成するための絶縁樹脂シート１５と金属板３をこの順に重ね、下面が平滑な成型用上プレート１６と前記成型用下プレート１３で熱圧着成型する。ここで、絶縁樹脂シート１５としては、上述した樹脂組成物を半硬化状態のシート状に成形したものを用いることができる。

その後、成型用下プレート１３から成型用上プレート１６を離間させ、図２（ｃ）に示すように、複数の回路層１が絶縁樹脂層２で接着された金属板３を成型用下プレート１３から取り出す。

そして、図２（ｄ）に示すように、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５に比べて金属板３の接着面６が大きくなるように、回路層１ごとに金属板３を打ち抜いて個片化すると、図１に示すような金属ベース回路板４を得ることができる。なお、図２（ｄ）に示すように、複数の回路層１が接着された金属板３も、金属ベース回路板４として使用することができる。

このように、上述した第１の方法によれば、クラック・割れ・剥離・反り等が発生するのを防止することができると共に高い放熱性を得ることができる金属ベース回路板４を容易に得ることができるものである。

ところで、面積の非常に大きい回路層１と金属板３を絶縁樹脂層２で加熱して接着した後に、回路のみをエッチングしてから打抜き加工等により個片化する方法も考えられるが、この方法では次のような問題がある。すなわち、加熱硬化後の冷却時に大きな反りが生じて、回路層１と金属板３の密着性が悪い場合には、剥離するという問題があり、また、回路層１と金属板３の密着性が良い場合には、反りによって曲がっているので打抜き加工ができないという問題がある。ここで、回路層１と金属板３の間の絶縁樹脂層２が厚ければ、熱膨張係数の不整合を緩和することができるが、熱抵抗が非常に大きくなるので、発熱部品１１を実装しても高い放熱性を得ることができないという問題がある。

しかし、上述した第１の方法によれば、回路層１と金属板３とは同じ大きさではなく、金属板３より回路層１を小さく形成しているので、上記のような問題は生じない。また、タングステンは、非常に表面の粗化処理が難しいので、ピール強度を向上させることは難しく、一般的には、実装用回路材料として使用することはできないと考えられているが、本発明では、粗化処理を行わなくても、ピール強度を向上させることができるので、タングステンを回路層１の材料として使用することができるのである。

また、本発明では、回路層１は、これに実装される部品１１と同程度に熱膨張係数の小さい材料で形成するようにしているが、このように熱膨張係数の小さい材料は一般的には高価なものであるため、その使用量は最小限とするのが望ましい。また、みかけの寸法変化量を小さくして応力の発生を最小限にするために、熱膨張係数の小さい材料の使用量（面積）は小さくするのが望ましい。このような要望に応えるために、本発明では、低熱膨張係数の高価な材料を大きな面積のまま回路層１として使用するのではなく、図２に示すように、凹部１４の大きさに応じてあらかじめ個片化しておくことによって、前記材料の浪費を抑え、安価に金属ベース回路板４を製造することができるものである。

なお、回路層１と金属板３のように熱膨張係数が異なる材料を隣接させる場合には、局部応力をなるべく低減させるために、角部のある形状を避け、なるべく丸い形状とすることが重要であるが、回路層１を打抜きによる個片化によって得る場合には、バリのない方を絶縁樹脂層２に埋め込むようにすれば、少しでもＲの付いた回路層１と絶縁樹脂層２が隣接することとなり、熱衝撃試験に対する信頼性が増す。

次に、金属ベース回路板４を製造する第２の方法について説明する。この方法では、複数の凹部１４を上面に設けて形成される成型用下プレート１３及び下面が平滑な成型用上プレート１６の他に、前記凹部１４の開口面積よりも大きい開口面積を有する貫通穴１７を前記凹部１４と同数設けて形成される穴あきプレート１８を用いる。

そしてまず、図５（ａ）に示すように、前記複数の凹部１４にそれぞれ回路層１を配置する。回路層１を配置する前に、成型用下プレート１３の上面（凹部１４の内面も含む）にテフロン（登録商標）コーティングを行って離型性を付与しておいてもよい。また、前記凹部１４の形状は、回路層１を固定できる形状であれば、特に限定されるものではない。また、図６に示すように、凹部１４の深さは回路層１の厚みより浅いが、このようにしているのは、回路層１の一部（成型用下プレート１３の表面から突出した部分）を絶縁樹脂層２に埋め込むためである。

次に、図５（ｂ）に示すように、各回路層１が各貫通穴１７に収容されるように位置合わせを行いつつ、成型用下プレート１３の上面に穴あきプレート１８を重ね、各貫通穴１７に絶縁樹脂層２を形成するための絶縁樹脂シート１５と金属板３をこの順に重ねて入れた後に、下面が平滑な成型用上プレート１６と前記成型用下プレート１３で熱圧着成型する。ここで、絶縁樹脂シート１５としては、上述した樹脂組成物を半硬化状態のシート状に成形したものを用いることができるが、この第２の方法では、あらかじめ絶縁樹脂シート１５も金属板３も共に貫通穴１７の大きさに個片化してある。

そして、成型用下プレート１３から成型用上プレート１６を離間させると、図５（ｃ）に示すような金属ベース回路板４を得ることができる。

このように、上述した第２の方法によれば、クラック・割れ・剥離・反り等が発生するのを防止することができると共に高い放熱性を得ることができる金属ベース回路板４を容易に、かつ一度に複数得ることができるものである。また、上述した第１の方法のように打抜き加工が伴うと剥離等が発生する可能性があるが、最初から回路層１・絶縁樹脂シート１５・金属板３を個片化しておき、後の打抜き加工を不要とすることによって、剥離等の発生の可能性を排除することができるものである。

なお、上述した第１の方法と第２の方法に共通するが、成型用下プレート１３に設けた凹部１４より回路層１が小さい場合には、例えば、回路層１を耐熱性接着フィルムで凹部１４の中心部に仮接着しておくようにすればよい。

また、本発明に係る金属ベース回路板においては、図８に示すように、金属板３に凹凸形状を設けて放熱フィン８を形成してもよい。この放熱フィン８によって、熱を効率良く逃がすことができ、さらに高い放熱性を得ることができるものである。

また、本発明に係る金属ベース回路板においては、図９（ａ）に示すように、銀ペースト等の接着剤を用いて反射板９を絶縁樹脂層２に設置してもよい。このように反射板９を設置すると、部品１１としてＬＥＤを回路層１に実装する場合に、ＬＥＤから出る光を反射板で所望の方向（例えば図９中の矢印の方向）に反射させて集光することができるものである。また、部品１１として紫外光を出力するＬＥＤを回路層１に実装する場合には、この紫外光は反射板９によって絶縁樹脂層２に照射されないように反射させることができるから、紫外光による絶縁樹脂層２の劣化を防止することができるものである。万全を期すため、耐紫外光特性を有する材料を配合して絶縁樹脂層２を形成したり、反射板９を絶縁樹脂層２に接着するための接着剤として耐紫外光特性を有するものを用いたりしてもよい。また、反射板９を形成する材料は特に限定されるものではないが、金属製の反射板９を用いると、ＬＥＤから出る光を受けても劣化するおそれがない。また、このように金属製の反射板９を用いる場合には、この反射板９は絶縁樹脂層２に設置されるので、絶縁信頼性を得ることができるものである。

また、本発明に係る金属ベース回路板においては、図９（ｂ）に示すように、金属板３を変形させることによって反射板１０を形成してもよい。具体的には、例えば、外部に露出している絶縁樹脂層２の外周部を削り取るなどして除去した後、絞り加工等を行うことによって、金属板３の側面を回路層側に延出させて反射板１０を形成したり、あるいは、先に絞り加工等を行うことによって、金属板３の側面を回路層側に延出させて反射板１０を形成した後、この反射板１０の表面に残っている絶縁樹脂層２を削り取るなどして除去したりすることができる。このように絞り加工等による金属板３の変形によって反射板１０を形成することにより、別に反射板９を設置する必要がなくなり、部品点数を削減することができるものである。なお、反射率を高めるため、反射板９，１０の反射面に白色印刷や銀メッキ等を行ってもよい。また、金属板３にメッキを施す場合には錆止めを行うのが望ましいが、この錆止めは、メッキを施した金属板３を１５０℃前後の温度で加熱し、表面に酸化皮膜を形成することによって行うことができる。

また、本発明に係る実装部品は、図９や図１０に示すように、金属ベース回路板４の回路層１に各種部品１１を実装することによって、製造することができる。回路層１に実装する部品１１としては、例えば、ＬＥＤ、パワーＩＣ等を挙げることができる。そして、上記のようにして製造される実装部品１９によれば、回路層１に実装された部品１１が発熱しても、回路層１の一部が絶縁樹脂層２に埋め込まれていることによって、熱による応力を樹脂全体で受け止めて、熱膨張係数の差を吸収することができ、クラック・割れ・剥離・反り等が発生するのを防止することができるものであり、また、回路層１に比べて金属板３が大きいことによって、高い放熱性を得ることができるものである。

また、本発明に係るモジュールは、図１０に示すように、実装部品１９を回路基板１２に実装することによって、製造することができる。図１０に示すモジュール２０においては、実装部品１９の金属板３を回路基板１２に接着すると共に、部品１１の端子と回路基板１２のパッド２２とをワイヤー２３で接続してある。これは一例であるが、各種実装部品１９を回路基板１２に実装することによって、ＬＥＤモジュールやパワーＩＣ搭載モジュール等の各種機能モジュール２０に仕上げることができるものである。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。

（実施例１）
まず、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、成型用下プレート１３（厚み１．０ｍｍ）の上面に設けた複数の凹部１４（平面視円形状、直径２．１ｍｍ、深さ５０μｍ）にそれぞれ回路層１を配置した。ここで、回路層１としては、タングステンで形成されているもの（平面視円形状、直径２ｍｍ、厚み１５０μｍ）を用いた。また、回路層１を配置する前に、成型用下プレート１３の上面（凹部１４の内面も含む）にテフロン（登録商標）コーティングを行って離型性を付与しておいた。

次に、図２（ａ）（ｂ）及び図３（ａ）（ｂ）に示すように、前記複数の回路層１を覆うように、絶縁樹脂層２を形成するための絶縁樹脂シート１５と金属板３をこの順に重ね、下面が平滑な成型用上プレート１６と前記成型用下プレート１３で熱圧着成型した。ここで、絶縁樹脂シート１５としては、平均粒径５μｍのアルミナフィラーを９１質量％含有する熱硬化性エポキシ樹脂材料を半硬化状態のシート状に成形したもの（厚み１００μｍ）を用いた。また、金属板３としては、銅板（厚み２．０ｍｍ）を用いた。また、熱圧着成型は、次のようにして行った。まず１０分間真空引きを行い、圧力５ｋｇ／ｃｍ^２（０．４９ＭＰａ）で加圧すると共に室温から１７０℃まで温度を上昇させ、１７０℃になった時点で圧力及び温度を９０分間保持した。

その後、冷却してから、成型用下プレート１３から成型用上プレート１６を離間させ、図２（ｃ）及び図３（ｃ）に示すように、複数の回路層１が絶縁樹脂層２で接着された金属板３を成型用下プレート１３から取り出した。

そして、図２（ｄ）に示すように、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５に比べて金属板３の接着面６が大きくなるように、具体的には、金属板３が平面視円形状（直径１０ｍｍ）に形成されると共に回路層１及び金属板３が同心円状に配置されるように、回路層１ごとに金属板３を打ち抜いて個片化すると、図１に示すような金属ベース回路板４を得ることができた。

この金属ベース回路板４においては、図７（ｂ）に示すように、仮想線Ｂ（垂線Ｈとのなす角度は６０°）上に、金属板３の底面７の外周縁が位置している。

また、絶縁樹脂層２の厚みは２５μｍであり、絶縁樹脂層２の熱伝導率は６Ｗ／ｍｋである。

（実施例２）
実施例１と同様にして金属ベース回路板４を得た後、図９（ａ）に示すように、アルミ板を成形加工して得られた反射板９を銀ペーストで前記金属ベース回路板４の絶縁樹脂層２の外周部に設置した。接着は、オーブンによって１６０℃で６０分間加熱して銀ペーストを硬化させることによって行った。なお、絶縁樹脂層２の表面において回路層１と反射板９との間隔は２５０μｍである。

（実施例３）
まず、図２（ａ）及び図４（ａ）に示すように、成型用下プレート１３（厚み１．０ｍｍ）の上面に設けた複数の凹部１４（平面視円形状、直径２．１ｍｍ、深さ２００μｍ）にそれぞれ回路層１を配置した。ここで、凹部１４の開口縁には段部２１（平面視円形状、直径４ｍｍ、深さ１００μｍ）が設けられている。回路層１としては、銅タングステン合金で形成されているもの（平面視円形状、直径２ｍｍ、厚み２００μｍ、熱膨張係数６．４ｐｐｍ／℃、熱伝導率１６０Ｗ／ｍｋ）を用いた。また、回路層１を配置する前に、成型用下プレート１３の上面（凹部１４の内面も含む）にテフロン（登録商標）コーティングを行って離型性を付与しておいた。

次に、図２（ａ）（ｂ）及び図４（ａ）（ｂ）に示すように、前記複数の回路層１を覆うように、絶縁樹脂層２を形成するための絶縁樹脂シート１５と金属板３をこの順に重ね、下面が平滑な成型用上プレート１６と前記成型用下プレート１３で熱圧着成型した。ここで、絶縁樹脂シート１５としては、平均粒径４μｍのアルミナフィラーを８５質量％含有する熱硬化性エポキシ樹脂材料を半硬化状態のシート状に成形したもの（厚み１００μｍ）を用いた。また、金属板３としては、アルミ板（厚み２．０ｍｍ）を用いた。また、熱圧着成型は、次のようにして行った。まず１０分間真空引きを行い、圧力４０ｋｇ／ｃｍ^２（３．９２ＭＰａ）で加圧すると共に室温から１７０℃まで温度を上昇させ、１７０℃になった時点で圧力及び温度を９０分間保持した。

その後、冷却してから、成型用下プレート１３から成型用上プレート１６を離間させ、図２（ｃ）及び図４（ｃ）に示すように、複数の回路層１が絶縁樹脂層２で接着された金属板３を成型用下プレート１３から取り出した。

そして、図２（ｄ）に示すように、回路層１の絶縁樹脂層側の底面５に比べて金属板３の接着面６が大きくなるように、具体的には、金属板３が平面視円形状（直径１０ｍｍ）に形成されると共に回路層１及び金属板３が同心円状に配置されるように、回路層１ごとに金属板３を打ち抜いて個片化すると、図１に示すような金属ベース回路板４を得ることができた。

さらに、外部に露出している絶縁樹脂層２の外周部を除去した後、絞り加工等を行うことによって、図９（ｂ）に示すように、金属板３の側面（３ｍｍ幅）を回路層側に延出させて反射板１０を形成した。この反射板１０は、回路層より１ｍｍ高くなるように形成した。

また、この金属ベース回路板４においては、図７（ｂ）に示すように、仮想線Ｂ（垂線Ｈとのなす角度は６０°）上に、金属板３の底面７の外周縁が位置している。

また、絶縁樹脂層２の厚みは５μｍであり、絶縁樹脂層２の熱伝導率は３Ｗ／ｍｋである。

（実施例４）
まず、図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、複数の凹部１４（平面視円形状、直径３ｍｍ、深さ２７５μｍ）にそれぞれ回路層１を配置した。ここで、回路層１としては、タングステンで形成されているもの（平面視円形状、直径３ｍｍ、厚み３００μｍ）を用いた。また、回路層１を配置する前に、成型用下プレート１３（厚み１．０ｍｍ）の上面（凹部１４の内面も含む）にテフロン（登録商標）コーティングを行って離型性を付与しておいた。

次に、図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、各回路層１が各貫通穴１７（平面視円形状、内径９ｍｍ）に収容されるように位置合わせを行いつつ、成型用下プレート１３の上面に穴あきプレート１８（厚み１．０ｍｍ）を重ね、各貫通穴１７に絶縁樹脂層２を形成するための絶縁樹脂シート１５と金属板３をこの順に重ねて入れた後に、下面が平滑な成型用上プレート１６と前記成型用下プレート１３で熱圧着成型した。ここで、絶縁樹脂シート１５としては、平均粒径２μｍのアルミナフィラーを９０質量％含有する熱硬化性エポキシ樹脂材料を半硬化状態のシート状に成形したもの（厚み５０μｍ、直径９ｍｍ）を用いた。また、金属板３としては、銅板（厚み３．０ｍｍ、直径９ｍｍ）を用いた。また、熱圧着成型は、次のようにして行った。まず１０分間真空引きを行い、圧力５ｋｇ／ｃｍ^２（０．４９ＭＰａ）で加圧すると共に室温から１７０℃まで温度を上昇させ、１７０℃になった時点で圧力及び温度を９０分間保持した。

そして、成型用下プレート１３から成型用上プレート１６を離間させると、図５（ｃ）に示すような金属ベース回路板４を得ることができた。さらにバレルメッキ加工により金属板の表面に銀メッキを施した。

この金属ベース回路板４においては、図７（ａ）に示すように、仮想線Ａ（垂線Ｈとのなす角度は４５°）上に、金属板３の底面７の外周縁が位置している。

また、絶縁樹脂層２の厚みは２５μｍであり、絶縁樹脂層２の熱伝導率は５Ｗ／ｍｋである。

（実施例５）
金属板３として片面に凹凸形状を設けたアルミ板（厚み２．０ｍｍ）を用いるようにした以外は、実施例１と同様にして、図８に示すような放熱フィン８を形成した金属ベース回路板４を得ることができた。なお、金属板３の片面には凹凸形状が設けられているので、均一に圧力がかかるようにするために、金属板３と成型用上プレート１６の間にクッション紙を挟んで熱圧着成型を行った。

この金属ベース回路板４においては、図７（ｂ）に示すように、仮想線Ｂ（垂線Ｈとのなす角度は６０°）上に、金属板３の底面７の外周縁が位置している。

また、絶縁樹脂層２の厚みは２５μｍであり、絶縁樹脂層２の熱伝導率は６Ｗ／ｍｋである。

実施例１〜５の金属ベース回路板４の熱抵抗値を下記［表１］に示す。また、実施例１〜５の金属ベース回路板４に２６０℃の半田リフロー処理を行った後、回路層１と金属板３の剥離の有無を確認した。その結果も下記［表１］に示す。

上記［表１］にみられるように、いずれの実施例のものも、熱抵抗値が小さく放熱性に優れていることが確認され、また、剥離が発生しないことも確認された。

金属ベース回路板の一例を示すものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は平面図である。 金属ベース回路板の製造方法の一例を示すものであり、（ａ）〜（ｄ）は断面図である。 同上の一部を拡大して示すものであり、（ａ）〜（ｃ）は断面図である。 金属ベース回路板の製造方法の他の一例の一部を拡大して示すものであり、（ａ）〜（ｃ）は断面図である。 金属ベース回路板の製造方法の他の一例を示すものであり、（ａ）〜（ｃ）は断面図である。 同上の一部を拡大して示すものであり、（ａ）〜（ｃ）は断面図である。 金属ベース回路板の他の一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）は断面図である。 金属ベース回路板の他の一例を示す断面図である。 金属ベース回路板の他の一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）は断面図である。 実装部品を回路基板に実装して形成されるモジュールの一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 回路層
２ 絶縁樹脂層
３ 金属板
４ 金属ベース回路板
５ 底面
６ 接着面
７ 底面
８ 放熱フィン
９ 反射板
１０ 反射板
１１ 部品
１２ 回路基板
１３ 成型用下プレート
１４ 凹部
１５ 絶縁樹脂シート
１６ 成型用上プレート
１７ 貫通穴
１８ 穴あきプレート
１９ 実装部品
２０ モジュール

Claims (11)

1. 回路層を絶縁樹脂層で金属板に接着して形成される金属ベース回路板であって、平面視円形状に形成された回路層と平面視円形状に形成された金属板とが同心円状に配置され、回路層の一部が絶縁樹脂層に埋め込まれていると共に、回路層の絶縁樹脂層側の底面に比べて金属板の接着面が大きく、回路層の絶縁樹脂層側の底面の外周縁から金属板側に下ろした垂線に対して外向きに４５°の角度で下ろした仮想線上又はその外側に、金属板の絶縁樹脂層側と反対側の底面の外周縁が位置して成ることを特徴とする金属ベース回路板。
2. 回路層の厚みが１５０μｍ以上であると共に、回路層の絶縁樹脂層側の底面と金属板の接着面との間における絶縁樹脂層の厚みが８０μｍ以下であり、絶縁樹脂層の熱伝導率が３Ｗ／ｍｋ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回路板。
3. 絶縁樹脂層が、平均粒径５μｍ以下のフィラーを６０〜９５質量％含有する樹脂組成物の硬化物で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属ベース回路板。
4. 回路層が、タングステン、タングステンを含む合金、鉄ニッケル系合金のいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金属ベース回路板。
5. 金属板に凹凸形状を設けて放熱フィンを形成して成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属ベース回路板。
6. 絶縁樹脂層に反射板を設置して成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金属ベース回路板。
7. 金属板を変形させることによって反射板を形成して成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金属ベース回路板。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の金属ベース回路板の回路層に部品を実装して成ることを特徴とする実装部品。
9. 請求項８に記載の実装部品を回路基板に実装して成ることを特徴とするモジュール。
10. 成型用下プレートの上面に設けた複数の凹部にそれぞれ平面視円形状に形成された回路層を配置し、これらの回路層を覆うように、絶縁樹脂層を形成するための絶縁樹脂シートと金属板をこの順に重ね、下面が平滑な成型用上プレートと前記成型用下プレートで熱圧着成型した後に、複数の回路層が絶縁樹脂層で接着された金属板を取り出し、回路層の絶縁樹脂層側の底面に比べて金属板の接着面が大きくなるように、回路層ごとに回路層と同心円状の平面視円形状に金属板を打ち抜いて個片化して、回路層の絶縁樹脂層側の底面の外周縁から金属板側に下ろした垂線に対して外向きに４５°の角度で下ろした仮想線上又はその外側に、金属板の絶縁樹脂層側と反対側の底面の外周縁が位置するように形成することを特徴とする金属ベース回路板の製造方法。
11. 複数の凹部を上面に設けて成型用下プレートが形成されると共に、前記凹部の開口面積よりも大きい開口面積を有する貫通穴を前記凹部と同数設けて穴あきプレートが形成され、前記複数の凹部にそれぞれ平面視円形状に形成された回路層を配置し、各回路層が各貫通穴に収容されるように位置合わせを行いつつ、成型用下プレートの上面に穴あきプレートを重ね、各貫通穴に絶縁樹脂層を形成するための絶縁樹脂シートと平面視円形状に形成された金属板を、回路層と金属板とが同心円状に配置されるようにこの順に重ねて入れた後に、下面が平滑な成型用上プレートと前記成型用下プレートで熱圧着成型して、回路層の絶縁樹脂層側の底面の外周縁から金属板側に下ろした垂線に対して外向きに４５°の角度で下ろした仮想線上又はその外側に、金属板の絶縁樹脂層側と反対側の底面の外周縁が位置するように形成することを特徴とする金属ベース回路板の製造方法。

Images