JP7052923B2 - 回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、回路基板に関する。

近年、ＩＧＢＴ素子等を搭載したパワーモジュールの市場が拡大している。パワーモジュールは、高信頼性・高耐熱が要求される。この種の技術として、これまで放熱機能を有する回路基板（放熱基板ともいう）において様々な開発がなされてきた。この種の技術として、例えば、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、半導体素子をリードフレーム等の支持体に搭載し、支持体と、ヒートシンクに接続される放熱板とを、絶縁樹脂層とで接着したパワーモジュールが開示されている。

特開２０１１－２１６６１９号公報

近年、そのような回路基板に対して一層の放熱性が求められるようになってきている。特許文献１に開示の技術では、パワーモジュールに対する放熱機能の要求に十分に満足できるものでなかった。

本発明はこのような状況に鑑みなされたものであって、放熱機能を有する回路基板において、放熱性を高める技術を提供することを目的とする。

本発明によれば、
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に直接接して設けられて形成された金属の回路パターンと、
を有し、
前記回路パターンの側面は、前記金属の延在方向に垂直な断面視における高さ方向中央部分における接線と前記絶縁基板の面との成す角度が８０度以上１００度以下の領域を有する、
回路基板を提供できる。

本発明によれば、放熱機能を有する回路基板において、放熱性を高める技術を提供することができる。

実施形態に係る、放熱基板の平面図である。 実施形態に係る、放熱基板の断面図である。 実施形態に係る、放熱基板の断面構造について回路パターンについて拡大して示した図である。 実施形態に係る、放熱基板の断面構造について回路パターンについて拡大して示した図である。 実施形態に係る、放熱基板の断面構造について回路パターンについて拡大して示した図である。 実施形態に係る、放熱基板の製造工程を示すチャート図である。 実施形態に係る、回路パターンの断面構造を従来の構造と比較可能に示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
＜放熱基板の概要＞
図１は放熱基板１０の平面図である。図２は放熱基板１０の一部の断面図である。
放熱基板１０は、発熱体の電子部品等を実装する回路基板であって、金属基板１２と、絶縁層１１と、回路パターン２０とで構成されており、図２で示すように下からこの順で積層された積層板（積層体）である。回路パターン２０の上に電子部品等が実装される。

放熱基板１０の総厚Ｔ０は、特に限定されないが、例えば、３００μｍ以上５０００μｍ以下であることが好ましく、１０００μｍ以上４０００μｍ以下であることがより好ましい。

＜金属基板１２＞
金属基板１２は、金属材料で構成された層であって、本実施形態では、この上面に絶縁層１１が形成され、下面に放熱フィンやラジエータなどの放熱手段（図示せず）が適宜取り付けられる。

金属基板１２を構成する金属材料としては、特定の種類に限定されないが、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などを用いることができる。

金属基板１２の厚さＴ１は、特に限定されないが、放熱基板１０で積層される要素（絶縁層１１、金属基板１２、回路パターン２０）の中で最も厚く、総厚Ｔ０に対して１０～９０％が好ましい。

金属基板１２の厚さＴ１の上限値は、例えば、２０．０ｍｍ以下であり、好ましくは５．０ｍｍ以下である。この上限値以下の厚さＴ１の金属基板１２を用いることで、放熱基板１０全体としての薄型化を行うことができる。また、放熱基板１０の外形加工や切り出し加工等における加工性を向上させることができる。
また、金属基板１２の厚さＴ１の下限値は、例えば、０．１ｍｍ以上であり、好ましくは０．５ｍｍ以上であり、さらに好ましくは１．０ｍｍ以上である。この下限値以上の金属基板１２を用いることで、放熱基板１０全体としての放熱性を向上させることができる。

＜絶縁層１１＞
絶縁層１１は、主として樹脂材料で構成された樹脂基板の層であって、金属基板１２と回路パターン２０とを絶縁する機能を有する。なお、絶縁層１１として、樹脂基板の代わりにセラミック基板（窒化アルミ基板や窒化ケイ素基板など）が用いられてもよい。

絶縁層１１を構成する樹脂材料としては、特定の種類に限定されないが、例えば、熱硬化性樹脂である、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル（不飽和ポリエステル）樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂等が挙げられる。なお、樹脂材料には、これらの樹脂のうちの１種または２種以上を混合して用いることができる。

絶縁層１１を構成する樹脂材料中には、電気絶縁性かつ高熱伝導性を有する粒子で構成されるフィラーを混合することもできる。かかるフィラーの粒子の構成材料としては、例えば、アルミナ等の金属酸化物、窒化ホウ素等の窒化物が挙げられる。

絶縁層１１の厚みＴ２は目的に合わせて適宜設定されるが、機械的強度や耐熱性の向上を図りつつ、電子部品からの熱をより効果的に金属基板１２へ伝えることができる観点から、絶縁層１１の厚さＴ２は４０μｍ以上４００μｍ以下が好ましく、放熱基板１０全体における放熱性と絶縁性のバランスがより一層優れる観点から、８０μｍ以上３００μｍ以下に設定することがより好ましい。絶縁層１１の厚さＴ２を上記上限値以下とすることで、電子部品からの熱を金属基板１２に伝達させやすくすることができる。また、絶縁層１１の厚さＴ２を上記下限値以上とすることで、金属基板１２と絶縁層１１との熱膨張率差による熱応力の発生を絶縁層１１で緩和することが十分にできる。さらに、放熱基板１０の絶縁性が向上する。

＜回路パターン２０＞
回路パターン２０は、導電性を有する金属材料で構成されており、例えば半田により発熱体の電子部品（ＬＥＤ等）と電気的に接続される。回路パターン２０を構成する金属材料には、例えば、銅を好適に用いることができる。これにより、回路パターン２０は、比較的抵抗値が小さくなる。なお、回路パターン２０は、その少なくとも一部がソルダーレジスト層で覆われていてもよい。

回路パターン２０は、例えば、絶縁層１１の絶縁層上面１１ａに積層された金属層を切削及びエッチングにより所定のパターンに加工することにより形成される。形成プロセスについては図７において後述するが、本実施形態では、図７の金属層２０Ａとして圧延銅が用いられる。

回路パターン２０の厚さＴ３の下限値は、例えば、０．３ｍｍ以上である。このような数値以上であれば、高電流を要する用途であっても、回路パターンの発熱を抑えることができる。また、回路パターン２０の厚さＴ３の上限値は、例えば、５．０ｍｍ以下であり、好ましくは４．０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは３．０ｍｍ以下である。このような数値以下であれば、回路加工性を向上させることができ、また、基板全体としての薄型化を図ることができる。

＜回路パターン２０の具体的な形状＞
図３～５を参照して、回路パターン２０の具体的な形状、特に断面形状について説明する。
図３は回路パターン２０の断面構造を示した図であり、ここではハッチングを省いて示している。これは回路パターン２０を構成する金属材料の延在方向に垂直な断面視を示した構造である。

図示のように、回路パターン２０は絶縁層１１の絶縁層上面１１ａに形成されている。ここで、回路パターン２０の高さ（すなわち絶縁層上面１１ａとの界面である金属層下面２２から金属層上面２１までの距離）をＤとする。このとき、金属層側面２３において、高さ方向中央部分（高さ０．５Ｄ）の位置Ｘ１における接線Ｌ１と絶縁層１１の面（すなわち絶縁層上面１１ａ）との成す角度をθ（以下「傾斜角度θ」という）とした場合、傾斜角度θが８０度以上１００度以下となっている領域を有する。すなわち、回路パターン２０の金属層側面２３は、高さ方向中央部分の位置Ｘ１において、略垂直に形成された領域を有する。

図４を参照して、回路パターン２０の具体的な形状を説明する。ここでは、特に金属層側面２３の形状について説明する。図４は、図３と同じ断面視の断面構造を示している。

金属層側面２３は、図４に示す断面視において、下側から上側に順に、スソ引き部２３ａと、直線部２３ｂと、ラウンド部２３ｃとを有する。

スソ引き部２３ａは、絶縁層１１との境界領域（界面から所定高さまでの領域）に形成された構造であって、絶縁層上面１１ａ側ほど緩やかな面（断面では緩やかな曲線）となるスソ引き形状となっている。スソ引き部２３ａが形成される位置は、例えば、絶縁層１１の絶縁層上面１１ａから垂直方向０．４Ｄの位置までの領域であり、好ましくは０．３Ｄの位置まで、より好ましくは０．２Ｄの位置までの領域である。

直線部２３ｂは、例えば断面において面の平均粗さ以下で連続して上記の傾斜角θの直線となっている領域である。直線部２３ｂは、絶縁層１１の絶縁層上面１１ａから垂直方向０．４Ｄの位置から０．６Ｄの位置までの範囲に形成される。好ましくは、０．３Ｄの位置から０．７Ｄの位置まで、より好ましくは０．２Ｄの位置から０．８Ｄの位置の範囲に形成される。なお、直線部２３ｂは、その領域の接線が上述の傾斜角度θ（例えば８０度以上１００度以下の略垂直に形成されている領域（すなわち垂直部）とも言える。

ラウンド部２３ｃは、回路パターン２０の金属層上面２１に繋がる領域であって、金属層上面２１側ほど緩やかになる曲面を呈している。ラウンド部２３ｃは、絶縁層１１の絶縁層上面１１ａから垂直方向０．６Ｄの位置から金属層上面２１との境界までの範囲に形成される。好ましくは、０．７Ｄの位置から、より好ましくは０．８Ｄの位置から金属層上面２１との境界（高さＤの位置）までの範囲に形成される。

図５を参照して隣り合う回路パターン２０Ｘ、２０Ｙの間隔について説明する。ここで示す回路パターン２０Ｘ、２０Ｙは、図４で説明した回路パターン２０の条件を満たしている。

ここで、回路パターン２０Ｘ、２０Ｙのそれぞれの高さＤをｂとする。また、回路パターン２０Ｘの金属層側面２３において、高さ方向中央部分（高さ０．５Ｄ）の位置をＸ１ｘとする。同様に、回路パターン２０Ｙの金属層側面２３において、高さ方向中央部分（高さ０．５Ｄ）の位置をＸ１ｙとする。各中央部分の位置Ｘ１ｘ、Ｘ１ｙの間の距離（すなわち高さ方向の中央部分でのパターン幅）をａとする。この条件において、アスペクト比ｂ／ａが０．２以上５以下の領域を有する。言い換えると、その領域は、パターン間の距離に対して高さＤ（ｂ）が相対的に高い領域である。

＜放熱基板１０の特徴のまとめ＞
上述のように、金属層側面２３において、高さ０．４Ｄまでにスソ引き部２３ａが設けられ、高さ０．４Ｄの位置から０．６Ｄの位置において略垂直となった直線部２３ｂが設けられる。すなわち、スソ引き部２３ａの領域が小さいため、回路パターン２０Ｘ、２０Ｙの高さ中央部分の位置Ｘ１ｘ、Ｘ１ｙの距離ａや、金属層上面２１での境界部分間の距離を狭くとった場合でも、絶縁層上面１１ａにおける回路パターン間隔を十分に確保できる。換言すると、回路パターン２０Ｘ、２０Ｙを密集させることができる。

＜放熱基板１０の製造方法＞
図６は放熱基板１０の製造プロセスを示すチャート図である。本図を参照して放熱基板１０の製造方法を説明する。

（Ｓ１０：積層体準備工程）
下から順に金属基板１２と、絶縁層１１と、金属層２０Ａとが積層された積層板１０Ａを用意する。金属層２０Ａが、以下の工程により加工することで回路パターン２０となる。
積層板１０Ａの製造方法は、公知の手法を用いることができる。例えば、金属基板１２をキャリアとして、厚さＴ１の金属基板１２上に、絶縁層１１の構成材料としての液状材料（ワニス状材料）を、例えばスプレー法等により付与する。
その後、金属基板１２上の液状材料を自然乾燥または強制乾燥により乾燥される。これにより、厚さＴ２の絶縁層１１が得られる。このとき絶縁層１１が完全に硬化していない状態（いわゆるＢステージの状態）であってもよい。

つぎに、絶縁層１１上に厚さＴ３’の金属層２０Ａを形成する。すなわち、絶縁層１１の絶縁層上面１１ａに、回路パターン２０となる金属層２０Ａ、例えば圧延銅を熱圧プレス等により積層する。これにより、積層板１０Ａが得られる。金属層２０Ａの厚さＴ３’は、後述するエッチング工程を考慮して設定される。

（Ｓ１２：回路パターン切削工程）
つづいて、ルータを用いて、上述の積層板１０Ａの金属層２０Ａを所望のパターンとなるように切削する。パターンでない部分については、所定厚さの金属層（薄銅部２０Ｂ１）を残すことで、絶縁層１１上には暫定回路パターン２０Ｂが形成される。すなわち、切削で全てのパターンを形成すると、絶縁層１１を破損させる虞があるので、余裕を持たせて一部厚さの金属層（薄銅部２０Ｂ１）を残存させる。これにより、暫定回路パターン２０Ｂを有する積層板１０Ｂが得られる。

（Ｓ１４：エッチング工程）
つづいて、暫定回路パターン２０Ｂを有する積層板１０Ｂをエッチング処理することで、残存している金属層（薄銅部２０Ｂ１）を溶かし、所望のパターンを形成することで最終的な回路パターン２０が得られる。これによって、放熱基板１０が得られる。

＜実施形態の効果＞
実施形態の特徴および効果をまとめると次の通りである。
（１）放熱基板１０は、
絶縁層１１（絶縁基板）と、
絶縁層１１上に直接接して設けられて形成された金属の回路パターン２０と、
を有し、
回路パターン２０の側面（すなわち金属層側面２３）は、前記金属の延在方向に垂直な断面視における高さ方向中央部分（Ｘ１）における接線Ｌと、絶縁層１１（絶縁基板）の面（絶縁層上面１１ａ）との成す傾斜角度θが、好ましくは８０度以上１００度以下の領域を有する。
これによって回路パターン２０を密集化できる。
（２）放熱基板１０において、絶縁層１１（絶縁基板）は樹脂基板である。
（３）放熱基板１０において、回路パターン２０の金属は圧延銅である。
切削およびエッチングにより、絶縁層１１上に設けられた圧延銅の金属層２０Ａを効率的に加工し、所望の回路パターン２０に形成することができる。
（４）放熱基板１０において、回路パターン２０の高さをＤとした場合に、回路パターン２０の金属層側面２３は、絶縁層１１（絶縁層上面１１ａ）から垂直方向０．４Ｄ以上０．６Ｄ以下の高さの範囲が、前記の金属の延在方向に垂直な断面視において（例えば図４の断面構造において）、直線を呈する。すなわち、実質的に垂直と見なせる直線部２３ｂが、絶縁層上面１１ａから垂直方向０．４Ｄ以上０．６Ｄ以下の高さの範囲で設けられるので、占有効率のよい回路パターン２０を形成することができる。
（５）回路パターン２０の金属層側面２３は、絶縁層１１との界面においてスソ引き形状を呈する。すなわち金属層下面２２の近傍、より具体的には、絶縁層上面１１ａから高さ０．４Ｄまでの範囲にスソ引き部２３ａを有する。このようなスソ引き形状により、回路パターン２０の絶縁層１１への所望の密着性を実現しつつ、回路パターン２０を密集化できる。
（６）回路パターン２０の高さＤをｂ、回路パターン２０の高さ中央部分Ｘ１ｘ、Ｘ１ｙにおいて隣接する回路パターンとの距離（Ｘ１ｘ～Ｘ１ｙの距離）をａとした場合に、アスペクト比ｂ／ａが０．２以上５以下の領域を有する。このようにアスペクト比ｂ／ａが０．２以上５以下の領域の構成、すなわち、回路パターン２０の厚さＴ３（高さＤ＝ｂ）に対して回路パターン２０間の距離ａを狭くした構成であることから、回路パターン２０を密集化できる。

以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

図７に実施例及び比較例の断面構造の写真を示す。図７（ａ）は上述した実施形態で示した切削及びエッチングを用いて回路パターン２０を形成して製造した放熱基板１０である（実施例）。図７（ｂ）は、従来の一般的なエッチングのみを用いて回路パターン２０を形成して製造した放熱基板である（比較例）。ここでは、回路断面の写真を比較可能に上下に並べて配置している。これら写真では回路パターン２０の幅、より具体的には金属層下面２２（絶縁層１１との界面）の幅を１ｍｍになるように形成している。

図７（ｂ）に示す比較例では、側面部分が全体にわたりスソ引き形状（略富士山形状）となり、回路パターン２０の上面の面積が狭くなっている。一方、図７（ａ）に示す実施例では、側面部分のスソ引き形状（図３のスソ引き部２３ａ）の領域が僅かで有り、大部分が直線（図３の直線部２３ｂ）となっている。したがって、上述したように、従来より回路パターン２０の密集化が可能となる。

この出願は、２０２０年３月２３日に出願された日本出願特願２０２０－０５０８９１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０ 放熱基板
１０Ａ、１０Ｂ 積層板
１０Ｂ 積層板
１１ 絶縁層
１１ａ 絶縁層上面
１２ 金属基板
２０、２０Ｘ、２０Ｙ 回路パターン
２０Ａ 金属層
２０Ｂ 暫定回路パターン
２０Ｂ１ 薄銅部
２１ 金属層上面
２２ 金属層下面
２３ 金属層側面
２３ａ スソ引き部
２３ｂ 直線部
２３ｃ ラウンド部

Claims (6)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に直接接して設けられて形成された金属の回路パターンと、
   を有し、
   前記回路パターンの側面は、前記金属の延在方向に垂直な断面視における高さ方向中央部分における接線と前記絶縁基板の面との成す角度が８０度以上１００度以下の領域を有し、
   前記回路パターンの側面は、前記絶縁基板との界面においてスソ引き形状を呈しており、
   前記回路パターンの高さをＤとした場合に、前記スソ引き形状は前記絶縁基板から垂直方向０．４Ｄまでの範囲に設けられている、回路基板。
2. 前記絶縁基板は樹脂基板からなる、請求項１に記載の回路基板。
3. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に直接接して設けられて形成された金属の回路パターンと、
   を有し、
   前記回路パターンの側面は、前記金属の延在方向に垂直な断面視における高さ方向中央部分における接線と前記絶縁基板の面との成す角度が８０度以上１００度以下の領域を有し、
   前記回路パターンの側面は、前記絶縁基板との界面においてスソ引き形状を呈し、
   前記絶縁基板は樹脂基板からなる、回路基板。
4. 前記金属は圧延銅からなる、請求項１から３までのいずれか１項に記載の回路基板。
5. 前記回路パターンの高さをＤとした場合に、前記回路パターンの側面は、前記絶縁基板から垂直方向０．４Ｄ以上０．６Ｄ以下の高さの範囲が、前記金属の延在方向に垂直な断面視において、直線を呈する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の回路基板。
6. 前記回路パターンの高さをｂ、前記回路パターンの高さ中央部分において隣接する回路パターンとの距離をａとした場合に、アスペクト比ｂ／ａが０．２以上５以下の領域を有する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の回路基板。

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