JP5056620B2 - 配線板 - Google Patents

Description

本発明は、発熱素子を実装した構成においても、放熱特性が高く、かつ、はんだ接続信頼性の高い配線板に関する。

電子機器に搭載する配線板は、電子機器の軽薄短小化に伴う微細配線・高密度実装の技術が求められる一方で、発熱に対応する高放熱の技術も求められている。特に、各種制御・操作に大電流を使用する自動車などにおける電子回路では、導電回路の抵抗に起因する発熱やパワー素子からの発熱が非常に多く、配線板の放熱特性は高レベルであることが必須となってきている。

その対策として、例えば、特許文献１には、放熱特性やはんだ接続信頼性を向上させるために、銅と低膨張材からなる熱拡散板に発熱素子を実装する技術や、発熱素子とはんだを樹脂封止体で取り囲む技術が提案されている（特許文献１の図１）。この構成は、熱拡散板の熱膨張率が約１０ppm/℃と小さく、また、樹脂封止体によりはんだにかかるひずみを緩和しているため、はんだ部のクラックを抑制することができる。しかしながら、前記熱拡散板は高価であり、発熱素子を実装する金属層には、熱伝導率が高く、かつ、安価な銅を使用することが強く望まれている。この場合、発熱素子の熱膨張率（約４ppm/℃）と銅の熱膨張率（約１７ppm/℃）の差が大きくなり、はんだ接続信頼性が大幅に低下してしまうという問題がある。

また、図２において、第１金属層３’である銅層に発熱素子１を実装する技術や、樹脂封止体８’で発熱素子１と第１金属層３’及び第３金属層７’を覆う技術が提案されている（特許文献２の図１）。この構成は、樹脂封止体８’により第１金属層３’の熱膨張率を低減させながら、はんだ２にかかる熱応力を抑制するものである。また、第１金属層３’と第３金属層７’を同じ材質としているため、はんだ付リフロー工程などの熱処理を行なった場合でも、樹脂絶縁層６’に熱応力が発生することがない。

しかしながら、第３金属層７’を放熱板として使用するときは、加工性がよく、かつ、安価なアルミニウムを使用することが強く望まれている。この場合、第１金属層３’の熱膨張率（銅の場合、約１７ppm/℃）と第３金属層７’の熱膨張率（アルミニウムの場合、約２４ppm/℃）の差が大きくなる。このため、第３金属層７’の影響によりはんだ２にかかる熱応力が大きくなり、はんだ接続信頼性が低下してしまうという問題がある。また、はんだ付リフロー工程などの熱処理を行なった場合に、樹脂絶縁層６’に熱応力が発生し、金属層と樹脂絶縁層との密着性が低下するという問題がある。

特開２００５−５６８７３号公報 特開２００７−１１５９８３号公報

本発明が解決しようとする課題は、樹脂絶縁層を介して一体化した銅の第１金属層とアルミニウム又はアルミニウム合金の第３金属層で両表面が構成され、少なくとも第１金属層が電気配線の機能を有する配線板において、放熱特性を向上させ、かつ、前記電気配線に実装された発熱素子と第１金属層の熱膨張率差が大きい場合にも、熱膨張率差によるはんだにかかるひずみを抑制し、はんだ接続信頼性を向上させることである。また、熱膨張率差による樹脂絶縁層の熱応力を低減し、金属層と樹脂絶縁層との密着性を向上させることである。

上記課題を達成するために、本発明に係る配線板（請求項１）は、厚み０．５mm以上の銅の第１金属層と、第２金属層と、厚み１mm以上のアルミニウム又はアルミニウム合金の第３金属層がこの順に配置され、少なくとも第１金属層が電気配線の機能を有する配線板において、前記電気配線には発熱素子がはんだ接続により実装されており、第１金属層と第２金属層が一体的に金属接合され、第２金属層と第３金属層は樹脂絶縁層で一体化されている。そして、第１金属層の熱膨張率をα１、第２金属層の熱膨張率をα２、第３金属層の熱膨張率をα３としたとき、α１＜α２＜α３の関係になるように設定される。さらに、第２金属層の厚みが第１金属層の厚みの２０％以上であり、少なくとも前記発熱素子及び第１金属層を取り囲む樹脂封止体を備えていることを特徴とする。

前記樹脂封止体は、好ましくは、２０℃におけるヤング率が１０ＧＰａ以上である。また、好ましくは、第２金属層と第３金属層の熱膨張率の差を４ppm/℃以下になるように設定する（請求項２）。
上記請求項１又は２のいずれかの配線板において、好ましくは、前記樹脂絶縁層の熱伝導率が４Ｗ/ｍ・Ｋ以上である（請求項３）。

上記請求項１〜３のいずれかの配線板において、好ましくは、第２金属層を直流電源の一方の極性の出力端子に電気的に接続する。また第２金属層の上に複数の第１金属層を、一体的に金属接合する。そして複数の第１金属層の上に、複数の発熱素子のうちの対応する１つの発熱素子をはんだ付け接続して、複数の発熱素子を第２金属層とそれぞれ電気的に接続する（請求項４）。

上記請求項１〜３のいずれかの配線板において、好ましくは、第２金属層を直流電源の一方の極性の出力端子に電気的に接続する。そして第１金属層の上には、複数の発熱素子をそれぞれはんだ付け接続して、複数の発熱素子を第２金属層とそれぞれ電気的に接続する（請求項５）。

なお配線板には、第２金属層を直流電源の一方の極性の出力端子に電気的に接続し、第２金属層の上に第１金属層を一体的に金属接合し、第１金属層の上に１つの発熱素子をはんだ付け接続して構成した素子ユニットを、電気的に絶縁した状態で複数個配置してもよい（請求項６）。

上記請求項４〜６のいずれかの配線板において、好ましくは、第２金属層を、第１金属層が一体的に金属接合される部分と電気配線部分とから構成する。また配線部分の上には電気絶縁樹脂層を介して他の電気配線部分を構成する１以上の第４金属層を一体化する。そして第２金属層を流れる電流の方向と第４金属層を流れる電流の方向とが逆方向になるように発熱素子と第４金属層とを電気的接続手段を介して接続する（請求項７）。

本発明に係る配線板においては、第１金属層と第３金属層の間に第１金属層と一体的に金属接合された第２金属層を配置したので、樹脂絶縁層で熱伝導が阻害されることが少なくなり、第２金属層を介した第１金属層と第３金属層の熱伝導性は確保され、放熱特性を向上することができる。このとき、第１金属層の厚みを０．５mm以上、第３金属層の厚みを１mm以上とする。これにより、充分な放熱特性を確保することができる。

電気配線の機能を有する第１金属層上にパワー素子等の発熱部品をはんだ接続により実装する場合、当該パワー素子の熱膨張率は４ppm/℃程度である。一方、パワー素子直下の第１金属層が銅であるので、その熱膨張率は１７ppm/℃程度である。パワー素子の発熱と発熱停止による、冷熱サイクルを繰り返すと、両者の熱膨張率の差に起因して、両者を接合しているはんだ部に応力が集中し、はんだ部にクラックが発生して接続信頼性が低下する。この対策として、少なくとも発熱素子及び第１金属層を取り囲む樹脂封止体を備えることにより、はんだ部にかかる応力を分散し、はんだ部のクラックを抑制することができる。

前記樹脂封止体は、好ましくは、２０℃におけるヤング率を１０ＧＰａ以上とする。これにより、はんだ部にかかる応力を充分に分散することができ、はんだ部のクラックを確実に抑制することができる。また、好ましくは、２０℃におけるヤング率を３０ＧＰａ以下とする。これにより、パワー素子が樹脂封止体から受ける応力を抑制することができ、パワー素子の破壊を防止することができる。

一方、発熱素子を実装する第１金属層には、熱伝導率が高く、かつ、安価な銅を使用することが強く望まれている。また、第３金属層を放熱板として使用するときは、加工性がよく、かつ、安価なアルミニウム又はアルミニウム合金を使用することが強く望まれている。この場合、銅の熱膨張率（約１７ppm/℃）とアルミニウム又はアルミニウム合金の熱膨張率（約２４ppm/℃）の差が７ppm/℃以上と非常に大きくなる。このため、はんだ付リフロー工程などの熱処理を行なった場合に、樹脂絶縁層に熱応力が発生し、金属層と樹脂絶縁層との密着性が低下する。第１金属層の厚みが０．５mm以上、第３金属層の厚みが１mm以上の場合には、前記熱応力が大きくなり、第３金属層と樹脂絶縁層との密着性が大幅に低下する。

しかし、本発明に係る配線板においては、第１金属層の熱膨張率をα１、第２金属層の熱膨張率をα２、第３金属層の熱膨張率をα３としたとき、α１＜α２＜α３の関係になるように設定したので、第１金属層と第３金属層の熱膨張率の差が第２金属層で緩和され、樹脂絶縁層にかかる熱応力を低減することができる。このとき、第２金属層の厚みを、第１金属層の厚みの２０％以上とする。第２金属層の厚みが２０％未満の場合、第２金属層の強度が低くなり、樹脂絶縁層にかかる熱応力を低減する効果が充分に得られない。また、好ましくは、第２金属層と第３金属層の熱膨張率の差を４ppm/℃以下になるように設定する。これにより、樹脂絶縁層にかかる熱応力を充分に低減することができ、金属層と樹脂絶縁層との密着性を確実に向上することができる。

上記の構成とすることにより、第１金属層の熱膨張率（α１）が１７ppm/℃であっても、はんだ部にかかる応力を分散し、はんだ部のクラックを抑制することができる。第１金属層の熱膨張率（α１）は、好ましくは、２０ppm/℃以下である。また、第１金属層と第３金属層の熱膨張率の差が７ppm/℃以上であっても、樹脂絶縁層にかかる熱応力を低減し、金属層と樹脂絶縁層との密着性を高めることができる。
このとき、第１金属層の熱伝導率が３００Ｗ/ｍ・Ｋ以上、樹脂絶縁層の熱伝導率が４Ｗ/ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。これにより、放熱効果はより一層大きくすることができる。

本発明の配線板にパワートランジスタ等の発熱素子を実装する場合には、第２金属層を直流電源の一方の極性の出力端子に電気的に接続することができる。その上で第２金属層の上に複数の第１金属層を、一体的に金属接合する。そして複数の第１金属層の上に、複数の発熱素子のうちの対応する１つの発熱素子をはんだ付け接続して、複数の発熱素子を第１金属層を介して第２金属層とそれぞれ電気的に接続する。このようにすると第２金属層を熱応力の緩和手段として利用するだけでなく、第２金属層を配線として利用することができるので、配線のための部材を省略することができる。特に第２の金属層上に複数の第１金属層を一体的に金属接合すると、１つの第２金属層から複数の第１金属層を介して複数の発熱素子に電力を供給することができる。第１金属層の材料の価格が高い場合には、各発熱素子に対して個別に第１金属層を設けるのが好ましい。しかしながら第１金属層を価格の安い材料によって形成する場合には、複数の発熱素子に対して１つの第１金属層を設ければよい。この場合には、使用する１つの第１金属層の大きさを複数の発熱素子を実装できる大きさにすればよい。このようにすると部品点数を減らすことができる。また第２金属層を複数の発熱素子に対して兼用する上記構成は、直流を交流に変換するインバータのブリッジ回路の一部や、交流を直流に変換する整流回路のブリッジ回路の一部を構成する場合に使用することができる。

また配線板には、第２金属層を直流電源の一方の極性の出力端子に電気的に接続し、第２金属層の上に第１金属層を、一体的に金属接合し、第１金属層の上に１つの発熱素子をはんだ付け接続して構成した素子ユニットを、電気的に絶縁した状態で複数個配置してもよい。このような複数の素子ユニットを設けると、直流―直流コンバータ等の電力変換回路も配線板上に簡単に構成することができる。

また第２金属層を、第１金属層が一体的に金属接合される部分と電気配線部分とから構成した場合には、配線部分の上に電気絶縁樹脂層を介して他の電気配線部分を構成する１以上の第４金属層を一体化するのが好ましい。そして第２金属層を流れる電流の方向と第４金属層を流れる電流の方向とが逆方向になるように発熱素子と第４金属層とを電気的接続手段を介して接続すれば、第２金属層を流れる電流によって発生する磁束と、第４金属層を流れる電流によって発生する磁束とが打ち消しあうように作用するため、回路のインダクタンスを小さくすることができる。

本発明を実施する具体的な形態は、例えば、図１に示すような構成が望ましい。厚み０．５mm以上の銅の第１金属層３と、第２金属層５と、厚み１mm以上のアルミニウム又はアルミニウム合金の第３金属層７がこの順に配置されている。少なくとも第１金属層３は電気配線の機能を有する。電気配線の機能を有する第１金属層３には、発熱素子１がはんだ２により実装される。そして、第１金属層３と第２金属層５が接続層４で一体的に金属接合されている。第２金属層５と第３金属層７は樹脂絶縁層６で一体化されている。さらに、第１金属層３の熱膨張率をα１、第２金属層５の熱膨張率をα２、第３金属層７の熱膨張率をα３としたとき、α１＜α２＜α３の関係になるように設定される。また、第２金属層５の厚みが第１金属層３の厚みの２０％以上である。さらに、少なくとも発熱素子１及び第１金属層３を取り囲む樹脂封止体８を備えている。

第１金属層の熱膨張率（α１）が１５ppm/℃未満の場合は、はんだにかかる応力が小さいため、樹脂封止体を配置して応力を分散する効果が小さい。一方、α１が銅の１７ppm/℃のように大きい場合においては、樹脂封止体を配置して応力を分散する効果が大きく現れる。前記樹脂封止体は、好ましくは、２０℃におけるヤング率を１０ＧＰａ以上とする。また、好ましくは、２０℃におけるヤング率を３０ＧＰａ以下とする。

また、第１金属層と第３金属層の熱膨張率の差が４ppm/℃未満の場合は、樹脂絶縁層にかかる熱応力が小さいため、第２金属層を配置して熱応力を緩和する効果が小さい。一方、前記熱膨張率の差が４ppm/℃以上の場合においては、第２金属層を配置して、熱応力を緩和する効果が大きく現れる。さらに、前記熱膨張率の差が７ppm/℃以上の場合は、第１金属層と第３金属層の間に第２金属層を２層以上配置して、第１金属層と第３金属層の熱膨張率の差を徐々に緩和させることにより、樹脂絶縁層にかかる熱応力をさらに低減できる。このとき、それぞれ隣接する金属層の熱膨張率の差を４ppm/℃以下になるように設定することが好ましい。

上記のような構成は、例えば、一般的に行なわれている積層板や多層板の製造法を適用することができる。すなわち、積層板の製造法のように、各材料を所定の構成に配置して加熱加圧成形により一体化できる。また、多層板の製造法のように、所定の構成単位毎に加熱加圧成形により順次一体化してもよい。そして、所定の発熱素子１を、所定形状に回路加工した第１金属層３上の実装領域に、はんだリフロー等の手段により実装する。

第１金属層の銅は、熱伝導率が３９４Ｗ/ｍ・Ｋ、熱膨張率が約１７ppm/℃であり、放熱特性とはんだ接続信頼性が良好となり、また銅／インバー合金や銅／モリブデン合金などの銅合金よりも安価であるので好ましい。また、第１金属層の熱伝導率を３００Ｗ/ｍ・Ｋ以上とすると、放熱特性が向上するので好ましい。

第２金属層の熱膨張率を、第１金属層より大きく、第３金属層に近い熱膨張率とすると、樹脂絶縁層にかかる熱応力が低減できるので好ましい。例えば、アルミニウム合金を使用することができる。その中でもＡ６０６３材は、熱伝導率が２１０Ｗ/ｍ・Ｋと大きく、さらに放熱特性を向上できるので好ましい。さらに、第２金属層の合計厚みが第１金属層の厚みの２０％以上であれば、熱応力の緩和と放熱特性を向上できるが、第２金属層の合計厚みを第１金属層の厚みよりも厚くすると、さらに放熱特性を向上できるので好ましい。また、第２金属層と第３金属層の熱膨張率の差を４ppm/℃以下になるように設定すると、樹脂絶縁層にかかる熱応力を充分に低減することができ、金属層と樹脂絶縁層との密着性を確実に向上することができるので好ましい。

第３金属層を放熱板として使用するときは、アルミニウムやアルミニウム合金を使用することができる。アルミニウムやアルミニウム合金は、加工性が良い、コストが低い、錆びない、熱伝導率が高いという利点から放熱板として非常に適している。さらに、第３金属層の厚みが１mm以上であれば、強度や放熱特性が確保できるが、２〜３mm程度が一般的に使用されている。また、第３金属層の形状は、単なる平板でもよいが、冷却効率を高めるために、厚みを４〜１０mm程度とし、樹脂絶縁層と接する反対面に冷却フィンのような形状を施すこともできる。

第１金属層と第２金属層の一体化は、金属接合であればどのような方法で接続してもよい。例えば、はんだやろう材のように金属を溶融して接続する方法や、圧延方式による金属拡散接合方法が挙げられる。また、導電性樹脂ペーストにより接続する方法であってもよい。

樹脂絶縁層の厚みは、それぞれの層の厚みを１５０μm以下とすると、樹脂絶縁層で熱伝導が阻害されることが少なく、放熱特性を向上できるので好ましい。また、樹脂絶縁層の熱伝導率を４Ｗ/ｍ・Ｋ以上とすると、放熱特性を向上できるので好ましい。

樹脂絶縁層を構成するシート状繊維基材は、ガラス繊維や有機繊維で構成された織布や不織布である。前記シート状繊維基材に含浸する熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂に高熱伝導性の無機充填材を添加することで製造することができる。特に、高熱伝導率が要求される樹脂絶縁層とする場合には、例えば、以下のような樹脂組成を使用する。
すなわち、無機充填材を含有し（式１）で示す分子構造のエポキシ樹脂モノマを配合したエポキシ樹脂組成物を採用する。前記無機充填材は、熱伝導率２０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であって、樹脂固形分１００体積部に対し５０〜２５０体積部の量で絶縁層中に存在するようにする。

上記（式１）で示す分子構造のエポキシ樹脂モノマは、ビフェニル骨格あるいはビフェニル誘導体の骨格をもち、１分子中に２個以上のエポキシ基をもつエポキシ化合物全般である。エポキシ樹脂モノマの硬化反応を進めるために、硬化剤を配合する。硬化剤は、例えば、アミン化合物やその誘導体、酸無水物、イミダゾールやその誘導体、フェノール類又はその化合物や重合体などである。また、エポキシ樹脂モノマと硬化剤の反応を促進するために、硬化促進剤を使用することができる。硬化促進剤は、例えば、トリフェニルホスフィン、イミダゾールやその誘導体、三級アミン化合物やその誘導体などである。

上記硬化剤や硬化促進剤を配合したエポキシ樹脂組成物に配合する熱伝導率２０Ｗ/ｍ・Ｋ以上の無機充填材は、金属酸化物又は水酸化物あるいは無機セラミックス、その他の充填材であり、例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化チタン、酸化亜鉛、炭化タングステン、アルミナ、酸化マグネシウム等の無機粉末充填材、合成繊維、セラミックス繊維等の繊維質充填材、着色剤等である。これら無機充填材は２種類以上を併用してもよい。
無機充填材は、樹脂固形分１００体積部に対し５０〜２５０体積部の量となるように配合する。前記無機充填材の熱伝導率と配合量の下限値は、樹脂絶縁層の熱伝導率を４Ｗ/ｍ・Ｋ以上にする場合に必要である。また、エポキシ樹脂組成物に配合する無機充填材が少ないと、無機充填材をエポキシ樹脂組成物中に均一に分散させることが難しくなる。熱伝導性の確保と共にこの点においても、無機充填材配合量の下限値の規定は重要である。一方、無機充填材の配合量を多くすると、エポキシ樹脂組成物の粘性が増大して取り扱いが難しくなるので、無機充填材配合量の上限値は、このような観点から規定する。

尚、無機充填材の熱伝導率が３０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であれば、樹脂絶縁層の熱伝導率をさらに高くできるので好ましい。また、無機充填材は、その形状が、粉末（塊状、球状）、短繊維、長繊維等いずれであってもよいが、平板状のものを選定すると、高熱伝導率の無機充填材自身が樹脂中で積み重なった状態で存在することになり、樹脂絶縁層の厚み方向の熱伝導性をさらに高くできるので好ましい。上記エポキシ樹脂組成物には、そのほか必要に応じて難燃剤や希釈剤、可塑剤、カップリング剤等を配合することができる。

樹脂絶縁層の形成は、上記エポキシ樹脂組成物を必要に応じ溶剤に希釈してワニスを調製しこれをシート状繊維基材に含浸し、加熱乾燥して半硬化状態にしたプリプレグを準備する。そして、これらを加熱加圧成形して樹脂絶縁層とする。前記加熱加圧成形に当っては、第３金属層−前記プリプレグ−第２金属層の順序で配置して積み重ね、これらを加熱加圧成形により一体化する。
エポキシ樹脂組成物を溶剤に希釈してワニスを調製する場合、溶剤の配合・使用が、エポキシ樹脂硬化物の熱伝導性に影響を与えることはない。

樹脂封止体を構成する樹脂組成物は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂に無機充填材を添加したものである。無機充填材は、例えば、球状シリカや球状アルミナ等であり、これら無機充填材は２種類以上を併用してもよい。前記樹脂組成物には、必要に応じて硬化促進剤や離型剤、可塑剤、カップリング剤等を配合することができる。また、樹脂封止体の形成は、例えば、前記樹脂組成物を閉じた金型内で加熱加圧成形して樹脂封止体とする。加熱加圧成形方法は、トランスファ成形等である。そのほか、ポッティング等により、樹脂封止体を形成してもよい。

樹脂封止体は、２０℃におけるヤング率を１０ＧＰａ以上とすると、はんだ部にかかる応力を充分に分散することができ、はんだ部のクラックを確実に抑制することができるので好ましい。また、２０℃におけるヤング率を３０ＧＰａ以下とすると、パワー素子が樹脂封止体から受ける応力を抑制することができ、パワー素子の破壊を防止することができるので好ましい。なお、２０℃におけるヤング率とは、ＪＩＳ−Ｋ−６９１１に準拠して測定した曲げ弾性率である。

図３に、樹脂封止体における無機充填材の充填量とヤング率、熱膨張率の関係を示す。樹脂封止体のヤング率及び熱膨張率は、無機充填材の充填量によって変化する。このため、無機充填材の充填量を４０体積％以上とすることにより、樹脂封止体の２０℃におけるヤング率を１０ＧＰａ以上とすることができる。また、無機充填材の充填量を６５体積％以下とすることにより、樹脂封止体の２０℃におけるヤング率を３０ＧＰａ以下とすることができる。

図４（ａ）は樹脂封止体のヤング率及び熱膨張率とはんだ部のひずみの関係を示したものであり、図４（ｂ）は樹脂封止体のヤング率及び熱膨張率と発熱素子にかかる応力の関係を示したものである。それぞれ、図５に示す断面モデル構造において、１０５℃〜−４０℃の範囲で温度サイクル試験を行った場合の、はんだクラック起点２１の相当ひずみ及び発熱素子端部１１の相当応力を有限要素法解析により計算した結果である。

図４（ａ）から、樹脂封止体８の２０℃におけるヤング率が大きいほど、はんだクラック起点２１の相当ひずみが小さくなり、かつ樹脂封止体８の熱膨張率が小さいほど、前記相当ひずみが小さくなることがわかる。特に２０℃におけるヤング率が１０ＧＰａ以上では、破線で示すはんだクラックが発生すると予測されるひずみ基準値（４％）と比較すると、樹脂封止体８の熱膨張率が１０〜４０ppm/℃の広い範囲で、はんだの相当ひずみは低い値を示し、はんだクラックは抑制されると考えられる。実際の加速試験でも、図５に示す構造では、別の原因での寿命低下がおきるまでに、はんだクラックに起因する寿命低下は生じないことが確認されている。

なお、はんだの相当ひずみは、温度サイクル試験の試験条件によっても左右される。例えば、最終製品の使用される温度範囲が小さく、９０℃〜−３０℃の範囲での温度サイクル試験であれば、発熱素子と第１金属層の熱膨張率差による影響が小さくなり、はんだの相当ひずみが比較的小さくなる。このため、樹脂封止体の２０℃におけるヤング率が１０ＧＰａ未満であっても、はんだの相当ひずみがひずみ基準値（４％）より小さくなり、はんだクラックが抑制される場合もある。

図４（ｂ）から、樹脂封止体８の２０℃におけるヤング率が３０ＧＰａ以下であれば、発熱素子端部１１にかかる相当応力が５００ＭＰａ以下となり、発熱素子を破壊するような大きな応力は発生しないが、２０℃におけるヤング率が３０ＧＰａを超えると発熱素子端部１１にかかる相当応力は急激に上昇する傾向がある。すなわち、樹脂封止体８の２０℃におけるヤング率が３０ＧＰａを超えると、発熱素子が破壊される危険性がある。従って、最適な樹脂設計としては、樹脂封止体８の２０℃におけるヤング率を３０ＧＰａ以下に低く抑え、発熱素子端部１１にかかる相当応力を下げることが好ましい。２０℃におけるヤング率の小さい樹脂封止体を用いることは、半導体チップ素子部、Ａｌ導体部、Ｓｉ界面等の破壊を防止する上での効果は大きいと考えられる。

図６は、上記図１に示した構造を利用して複数（図６に示したものは３個）の発熱素子３１を実装する場合の実施の形態の具体的な構成の一例を示している。図６は、本発明の配線板の要部を切り取ってクローズアップして描いたものであり、実際の配線板は更に別の配線や部品が実装されることになる。なお図６に示した実施の形態においては、図１に示した構造を構成する部材と同じ部材には、図１に付した符号の数に３０の数を加えた数を符号として付して材質等の詳細な説明は省略する（樹脂封止体は図示していない）。図６の実施の形態では、配線板にパワートランジスタ等の発熱素子３１を実装する場合に、第２金属層３５が図示しない直流電源の一方の極性の出力端子（プラス端子及びマイナス端子の一方）に電気的に接続される。図６においては、第２の金属層３５は第３金属層３７と実質的に同じ大きさを有している。そして第２金属層３５の上には、複数（３つ）の第１金属層３３が接続層３４を介して接合されている。３つの第１金属層３３の上には、それぞれ発熱素子３１がはんだ３２によって接合されている。このような発熱素子３１は、外装ケースの底壁部が金属によって形成されて電気的な端子を構成しており、外装ケースの底壁部と対向する上壁部に他の電気的な端子が設けられているタイプの部品である。したがって発熱素子３１を第１金属層３３にはんだ３２によって直接接続するだけで、第１金属層３３と発熱素子３１とは機械的に電気的にも接続される。そして発熱素子３１は、はんだ３２、第１金属層３３及び接続層３４を介して第２導電層３５と電気的に接続される。その結果、本実施の形態によれば、第２金属層３５を熱応力の緩和手段として利用するだけでなく、第２金属層３５を配線として利用することができる。

また本実施の形態では、第２金属層３５を、第１金属層３３が一体的に金属接合される（接続される）部分３５Ａと電気配線部分３５Ｂとから構成されている。そしてこの配線部分３５Ｂの上には、エポキシ樹脂などの電気絶縁樹脂層３９を介して他の電気配線部分を構成する３つの第４金属層３８が配置されて配線板に一体化されている。第４金属層３８は、例えば図示しない３つの出力端子に３つの発熱素子３１をそれぞれ電気的に接続する機能を果たす。この例では、第４金属層３８は、ＣｕまたはＣｕ合金によって形成されている。電気絶縁樹脂層３９は、隣り合う２つの第４金属層３８の間、隣り合う２つの第１金属層３３の間及び隣り合う第１金属層３３と第４金属層３８との間にも存在して、これら金属層間の電気的絶縁を図っている。また発熱素子３１と第４金属層３８とはワイヤボンディングからなる電気的接続手段４０によって電気的に相互に接続されている。図６中には、矢印で示すように、電流が流れる方向を示してある。この例では、第２金属層３５→接続層３４→３つの第１金属層３３→はんだ３２→３つの発熱素子３１→電気的接続手段４０→３つの第４金属層３８の経路で電流が流れている。その結果、第２金属層３５を流れる電流の方向と第４金属層３８を流れる電流の方向とが逆方向になっている。その結果、第２金属層３５を流れる電流によって発生する磁束と、第４金属層３８を流れる電流によって発生する磁束とが打ち消しあうように作用するため、回路のインダクタンスが小さくなっている。

本実施の形態のように、第２の金属層３５上に複数の第１金属層３３を一体的に金属接合すると、１つの第２金属層３５から複数の第１金属層３３を介して複数の発熱素子３１に電力を供給することができる。第１金属層３３の材料の価格が高い場合には、図６の実施の形態のように、各発熱素子３１に対して個別に第１金属層３３を設けるのが好ましい。しかしながら図７に示すように、第１金属層３３’を価格の安い材料によって形成する場合には、複数の発熱素子３１に対して１つの第１金属層３３’を設ければよい。この場合には、１つの接続層３４’により１つの第２金属層３５と２つの第１金属層３３’とが、機械的に且つ電気的に接続されるので、部品点数を減らすことができる。図６及び図７に示す構成は、１つの第２金属層３５に３つの発熱素子３１が電気的に接続されているので、直流−三相交流インバータモジュールのブリッジ回路の一部や、半導体三相整流回路モジュールのブリッジ回路の一部を構成する場合に利用することができる。

また例えば図６に示す構造において、第２金属層３５を個別の第１金属層３３に対応させて分離し、分離した複数の第２金属層を電気的に絶縁するようにして複数の素子ユニットを構成するようにしもよい。このような複数の素子ユニットを配線板に設ければ、直流−直流コンバータ等の他の電力変換回路も配線板上に少ない部品点数で構成することができる。
また上記図６及び図７の実施の形態において、第２金属層を２層以上の構造としてもよいのは勿論である。

以下、本発明に係る実施例を示し、本発明について詳細に説明する。尚、以下の実施例および比較例において、「部」とは「質量部」を意味する。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、本実施例に限定されるものではない。

実施例に使用する材料仕様は以下の通りである。
（ａ）エポキシ樹脂ワニスａ；エポキシ樹脂モノマ成分としてビフェニル骨格をもつエポキシ樹脂モノマ（ジャパンエポキシレジン製「ＹＬ６１２１Ｈ」，エポキシ当量１７５）１００部を用意し、これをメチルイソブチルケトン（和光純薬製）１００部に１００℃で溶解し、室温に戻した。前記「ＹＬ６１２１Ｈ」は、既述の分子構造式（式１）において、Ｒ＝−ＣＨ３，ｎ＝０．１であるエポキシ樹脂モノマと分子構造式（式１）において、Ｒ＝−Ｈ，ｎ＝０．１であるエポキシ樹脂モノマを等モルで含有するエポキシ樹脂モノマである。
硬化剤として１，５−ジアミノナフタレン（和光純薬製「１，５−ＤＡＮ」，アミン当量４０）２２部を用意し、これをジメチルホルムアミド（和光純薬製）１００部に１００℃で溶解し、室温に戻した。
上記のエポキシ樹脂モノマ溶液と硬化剤溶液を混合・撹拌して均一なワニスにし、さらに無機充填材としてアルミナ（電気化学工業製「ＤＡＷ−１０」，平均粒子径：１０μｍ，熱伝導率３０Ｗ/ｍ・Ｋ，粒子形状：球状）４２５部（樹脂固形分１００体積部に対し１００体積部に相当）を加えて混練し、エポキシ樹脂ワニスａを調製した。
（ｂ）エポキシ樹脂ワニスｂ；エポキシ樹脂ワニスａ中の無機充填材であるアルミナ（電気化学工業製「ＤＡＷ−１０」，平均粒子径：１０μｍ，熱伝導率３０Ｗ/ｍ・Ｋ，粒子形状：球状）を５４０重量部（樹脂固形分１００体積部に対し１８５体積部に相当）を加えて混練する以外はエポキシ樹脂ワニスａと同様にしてエポキシ樹脂ワニスｂを調製した。
（ｃ）プリプレグａ；エポキシ樹脂ワニスａを、厚み１００μｍのガラス不織布に含浸し加熱乾燥して厚み１２０μｍのプリプレグを得た。
（ｄ）プリプレグｂ；エポキシ樹脂ワニスｂを、厚み１００μｍのガラス不織布に含浸し加熱乾燥して厚み１２０μｍのプリプレグを得た。
（ｅ）樹脂封止体用の樹脂組成物；エポキシ樹脂モノマ成分としてビフェニル骨格をもつエポキシ樹脂モノマ（ジャパンエポキシレジン製「ＹＬ６１２１Ｈ」，エポキシ当量１７５）１００部を用意し、これをメチルイソブチルケトン（和光純薬製）１００部に１００℃で溶解し、室温に戻した。前記「ＹＬ６１２１Ｈ」は、既述の分子構造式（式１）において、Ｒ＝−ＣＨ３，ｎ＝０．１であるエポキシ樹脂モノマと分子構造式（式１）において、Ｒ＝−Ｈ，ｎ＝０．１であるエポキシ樹脂モノマを等モルで含有するエポキシ樹脂モノマである。
硬化剤としてフェノールノボラック樹脂（大日本インキ化学工業製「ＴＤ−２０９０」）４０部を用意し、メチルエチルケトンにて６０℃で溶解し、室温に戻した。
上記のエポキシ樹脂モノマ溶液と硬化剤溶液を混合・撹拌して均一なワニスにし、さらに無機充填材として球状シリカ（電気化学工業製「ＦＢ−３０Ｘ」，平均粒子径：３０μｍ）及び硬化促進剤、離型剤を加えて混練し、エポキシ樹脂ワニスを調製した。このエポキシ樹脂ワニスを加熱乾燥した樹脂粉末を７０℃で予備成形し、タブレット状の樹脂組成物を得た。

実施例１
図１の構成材料として、下記の材料を準備した。
１）第１金属層３：銅（厚み０．５mm、熱膨張率１７ppm/℃、熱伝導率３９４Ｗ/ｍ・Ｋ）
２）第２金属層５：アルミニウム合金６０６３（厚み０．１mm、熱膨張率２３ppm/℃、熱伝導率２１０Ｗ/ｍ・Ｋ）
３）第３金属層７：アルミニウム合金３００４（厚み１．０mm、熱膨張率２４ppm/℃、熱伝導率１６０Ｗ/ｍ・Ｋ）
４）樹脂絶縁層６：プリプレグａ
第２金属層上に導電性接着剤として銀ろう材を塗布（厚み２００μｍ）し、その上に第１金属層を重ねた状態で、加熱炉の中へ置き、銀ろう材が溶ける所定温度まで加熱することで、第１金属層と第２金属層を接続層４で一体的に金属接合した。

次に、図１の構成となるように、第３金属層−プリプレグａ１枚−（第１金属層を一体的に金属接合した第２金属層）の順序で配置して積み重ね、これらを加熱加圧成形して一体化し、厚み１．８４mmの積層板を得た。加熱加圧成形は、温度１７５℃、圧力６MPaの条件で９０分間加熱加圧の条件で行った。そして、前記積層板の第１金属層を所定形状に回路加工して、配線板とした。樹脂絶縁層の熱伝導率は、３Ｗ/ｍ・Ｋである。

そして、前記配線板の第１金属層に発熱素子（セラミックヒータチップ）をはんだ付した。この配線板を樹脂成形金型内にセットした後、図１の構成となるように樹脂封止体Ａ（無機充填材の充填量：２０体積％、２０℃におけるヤング率：５ＧＰａ、熱膨張率：３０ppm/℃）をトランスファ成形することにより、発熱素子、第１金属層及び第２金属層を樹脂封止体にて取り囲んだ配線板を得た。

実施例１で得た配線板について、素子発熱温度、はんだ接続信頼性および剥離面積率を測定した結果を、金属層や樹脂絶縁層の構成と共に表１にまとめて示す。測定は、以下に示す方法による。
ヤング率：樹脂封止体の２０℃における曲げ弾性率を測定した（ＪＩＳ−Ｋ−６９１１準拠）。
熱膨張率：金属板から５×１０mmの板状試料を切り出し、ＴＭＡ測定にて３０℃〜２６０℃の範囲における平面方向の熱膨張率を測定した。
熱伝導率：各金属層や樹脂絶縁層の厚さ方向の熱伝導を、熱流計法（ＪＩＳ−Ａ−１４１２準拠）にて測定した。
素子発熱温度：発熱素子、第１金属層及び第２金属層を樹脂封止体にて取り囲んだ配線板を使用し、第３金属層を冷却フィンにて冷却し、一定温度に保つ。発熱素子に８０Ｗの電力を入力し、入力２分後の素子温度を測定した。
はんだ接続信頼性：発熱素子、第１金属層及び第２金属層を樹脂封止体にて取り囲んだ配線板を使用し、１０５℃〜−４０℃の範囲で冷熱サイクル試験を行ない、１０００サイクル後のはんだ部のクラック発生の有無を調べた。
剥離面積率：所定形状に加工した配線板を最高温度３００℃のリフロー炉で３分間熱処理を行なった。その後、超音波探傷器にて配線板の上部から観察し、金属と樹脂界面の剥離面積を測定した。そして、（剥離面積／配線板の全面積）×１００を剥離面積率（％）とした。

実施例２
実施例１において、樹脂封止体Ｂ（無機充填材の充填量：４０体積％、２０℃におけるヤング率：１０ＧＰａ、熱膨張率：１８ppm/℃）を使用する以外は実施例１と同様にして配線板を得た。樹脂封止体のヤング率を大きくしたことにより、はんだ接続信頼性が向上した。

実施例３
実施例１において、樹脂封止体Ｃ（無機充填材の充填量：６０体積％、２０℃におけるヤング率：２０ＧＰａ、熱膨張率：１０ppm/℃）を使用する以外は実施例１と同様にして配線板を得た。樹脂封止体のヤング率を大きくしたことにより、実施例２と同様の効果が得られた。
実施例４
実施例１において、樹脂封止体Ｄ（無機充填材の充填量：６５体積％、２０℃におけるヤング率：３０ＧＰａ、熱膨張率：９ppm/℃）を使用する以外は実施例１と同様にして配線板を得た。樹脂封止体のヤング率を大きくしたことにより、実施例２と同様の効果が得られた。

参考例１
実施例３において、第１金属層としてアルミニウム合金４０３２（厚み０．５mm、熱膨張率２０ppm/℃、熱伝導率１５０Ｗ/ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例３と同様にして配線板を得た。第１金属層の熱伝導率が銅より小さく、３００Ｗ/ｍ・Ｋ未満となったことにより、素子発熱温度が上昇し、放熱特性が低下したが、機能上問題ない範囲であった。また、第１金属層の熱膨張率が銅より大きくなったことにより、はんだ接続信頼性が若干低下したが、機能上問題ない範囲であった。

実施例５
実施例２において、樹脂絶縁層としてプリプレグｂを使用する以外は実施例２と同様にして配線板を得た。樹脂絶縁層の熱伝導率は、４Ｗ/ｍ・Ｋである。樹脂絶縁層の熱伝導率を高くしたことにより、素子発熱温度が低減し、放熱特性が向上した。

実施例６
実施例５において、第２金属層としてアルミニウム合金６０６３（厚み０．６mm、熱膨張率２３ppm／℃、熱伝導率２１０Ｗ／ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例５と同様にして配線板を得た。第２金属層を厚くしたことにより、素子発熱温度が低減し、放熱特性が向上した。また、第２金属層を厚くしたことにより、第２金属層と一体的に金属接合された第１金属層の熱膨張率にも影響を受け、はんだ接続信頼性が若干低下したが、機能上問題ない範囲であった。

比較例１
実施例２において、第２金属層を配置しないこと以外は実施例２と同様にして配線板を得た。比較例１においては、第２金属層が配置されていないので、第１金属層と第３金属層の熱膨張率の差によって、樹脂絶縁層に熱応力がかかり、金属と樹脂の界面が広範囲で剥離が発生している。また、素子発熱温度が大きくなり、放熱特性が大幅に悪化した。

比較例２
実施例２において、第１金属層として銅／モリブデン合金（厚み０．５mm、熱膨張率１０ppm/℃、熱伝導率２２０Ｗ/ｍ・Ｋ）を使用し、第２金属層として銅（厚み０．１mm、熱膨張率１７ppm/℃、熱伝導率３９４Ｗ/ｍ・Ｋ）を使用すること以外は実施例２と同様にして配線板を得た。比較例２においては、第１金属層の熱膨張率が小さいため、第１金属層と一体的に金属接合された第２金属層の熱膨張率にも影響を受け、第２金属層と第３金属層の熱膨張率の差によって、金属と樹脂の界面が広範囲で剥離を発生している。また、剥離に伴って素子発熱温度が大きくなり、放熱特性が大幅に悪化した。

比較例３
実施例２において、第２金属層として銅／モリブデン合金（厚み０．１mm、熱膨張率１０ppm/℃、熱伝導率２２０Ｗ/ｍ・Ｋ）を使用すること以外は実施例２と同様にして配線板を得た。比較例３においては、第２金属層の熱膨張率が第１金属層の熱膨張率より小さいので、第２金属層と第３金属層の熱膨張率の差によって、金属と樹脂の界面が広範囲で剥離を発生している。また、剥離に伴って素子発熱温度が大きくなり、放熱特性が大幅に悪化した。

比較例４
実施例２において、第１金属層として銅（厚み０．４mm、熱膨張率１７ppm/℃、熱伝導率３９４Ｗ/ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例２と同様にして配線板を得た。比較例４においては、第１金属層の厚みが薄いので、樹脂絶縁層にかかる熱応力が小さくなるため、第２金属層を配置しても、あまり応力緩和をする効果がない。また、素子発熱温度が大きくなり、放熱特性が悪化した。

比較例５
実施例２において、第２金属層としてアルミニウム合金６０６３（厚み０．０５mm、熱膨張率２３ppm/℃、熱伝導率２１０Ｗ/ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例２と同様にして配線板を得た。比較例５においては、第２金属層の厚みが第１金属層の２０％未満であるので、第１金属層と第３金属層の熱膨張率の差を緩和する効果が小さくなり、金属と樹脂の界面に剥離を発生している。また、素子発熱温度が大きくなり、放熱特性が大幅に悪化した。

比較例６
実施例２において、第３金属層としてアルミニウム合金３００４（厚み０．５mm、熱膨張率２４ppm/℃、熱伝導率１６０Ｗ/ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例２と同様にして配線板を得た。比較例６においては、第３金属層の厚みが薄いので、樹脂絶縁層にかかる熱応力が小さくなるため、第２金属層を配置しても、あまり応力緩和をする効果がない。また、素子発熱温度が大きくなり、放熱特性が悪化した。

比較例７
実施例２において、樹脂封止体Ｂを配置しないこと以外は実施例２と同様にして配線板を得た。比較例７においては、素子発熱温度及び樹脂剥離面積率は問題なかったが、樹脂封止体を配置していないため、発熱素子と第１金属層の熱膨張率の差に起因してはんだ部に応力が集中し、はんだ接続信頼性が大きく低下した。

実施例２〜６、比較例１〜７の配線板についても、実施例１と同様に特性を測定し、結果を表１〜２に示した。

上記表に示したように、本発明に係る実施例においては、第１金属層の熱膨張率をα１、第２金属層の熱膨張率をα２、第３金属層の熱膨張率をα３としたとき、α１が銅の１７ppm/℃であるときに、α１＜α２＜α３の関係になるように設定し、かつ、第２金属層の厚みが第１金属層の厚みの２０％以上とし、さらに、少なくとも前記発熱素子及び第１金属層を樹脂封止体にて取り囲む構成としたので、はんだ接続信頼性（はんだ部のクラック発生数）、樹脂剥離面積率を抑えられていることが理解できる（実施例１〜６と参考例１及び比較例１〜７との対比）。

本発明の実施の形態に係る配線板断面図である。 従来の配線板断面図である。 無機充填材の充填量と樹脂封止体の特性の関係を示す曲線図である。 （ａ）は樹脂封止体の特性とはんだ部の相当ひずみの関係を示す曲線図、（ｂ）は樹脂封止体の特性と発熱素子にかかる相当応力の関係を示す曲線図である。 有限要素法解析を行った要部の断面図である。 複数の発熱素子を実装する場合の他の実施の形態の配線板の要部の斜視図である。 複数の発熱素子を実装する場合の更に他の実施の形態の配線板の要部の斜視図である。

１、３１は発熱素子
２、３２ははんだ
３、３’、３３、３３’は第１金属層
４、３４’は接続層
５、３５は第２金属層
６、６’、３６は樹脂絶縁層
７、７’、３７は第３金属層
８、８’は樹脂封止体

Claims (7)

1. 厚み０．５mm以上の銅の第１金属層と、第２金属層と、厚み１mm以上のアルミニウム又はアルミニウム合金の第３金属層がこの順に配置され、少なくとも第１金属層が電気配線の機能を有する配線板において、前記第１金属層の電気配線には発熱素子がはんだ接続により実装されており、
   第１金属層と第２金属層が一体的に金属接合され、第２金属層と第３金属層は樹脂絶縁層で一体化されており、
   第１金属層の熱膨張率をα１、第２金属層の熱膨張率をα２、第３金属層の熱膨張率をα３としたとき、α１＜α２＜α３の関係になるように設定され、
   第２金属層の厚みが第１金属層の厚みの２０％以上であり、
   少なくとも前記発熱素子及び第１金属層を取り囲む樹脂封止体を備えていることを特徴とする配線板。
2. 前記樹脂封止体は、２０℃におけるヤング率が１０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載の配線板。
3. 前記樹脂絶縁層の熱伝導率が４Ｗ/ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の配線板。
4. 前記第２金属層が直流電源の一方の極性の出力端子に電気的に接続されており、
   前記第２金属層の上に複数の前記第１金属層が一体的に金属接合されており、
   前記複数の第１金属層の上には、複数の発熱素子のうちの対応する１つの前記発熱素子がはんだ付け接続されていて、前記複数の発熱素子が前記第２金属層とそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線板。
5. 前記第２金属層が直流電源の一方の極性の出力端子に電気的に接続されており、
   前記第１金属層の上には、複数の発熱素子がそれぞれはんだ付け接続されていて、前記複数の発熱素子が前記第２金属層とそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の配線板。
6. 前記第２金属層が直流電源の一方の極性の出力端子に電気的に接続され、
   前記第２金属層の上に前記第１金属層が一体的に金属接合され、
   前記第１金属層の上に１つの発熱素子がはんだ付け接続されて構成された素子ユニットが、電気的に絶縁された状態で複数個配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線板。
7. 前記第２金属層は、前記第１金属層が一体的に金属接合される部分と電気配線部分とを備えており、
   前記配線部分の上には電気絶縁樹脂層を介して他の電気配線部分を構成する１以上の第４金属層が一体化されており、
   前記第２金属層を流れる電流の方向と前記第４金属層を流れる電流の方向とが逆方向になるように前記発熱素子と前記第４金属層とが電気的接続手段を介して接続されている請求項４〜６のいずれか１項に記載の配線板。

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