JP7052935B1 - 回路基板 - Google Patents

Abstract

放熱基板は、絶縁層（１１）（絶縁基板）と、前記絶縁層（１１）上に直接接して設けられた金属の回路パターン（２０）と、を有し、前記回路パターン（２０）の外郭線が、上面視において半径０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧を呈する曲線となった角部（２７）を有する。

Description

本発明は、回路基板に関する。

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。一方で、高い放熱性を有することは、実装される電子部品等の発熱が大きくなることから、熱応力に強いことが求められる。すなわち、樹脂基板上に設けられた回路パターンに、上記の熱応力が作用した場合であっても、剥がれず密着していることが必要とされる。
特許文献１に開示の技術では、そのような要望を満たすことができず、新たな技術が求められていた。

本発明はこのような状況に鑑みなされたものであって、樹脂基板上に直接接して設けられる金属の回路パターンを有する場合において、樹脂基板と金属の回路パターンの密着性を向上させる技術を提供することを目的とする。

絶縁基板と、
前記絶縁基板上に直接接して設けられた金属の回路パターンと、
を有し、
前記回路パターンの外郭線が、上面視において半径０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧を呈する曲線となった角部を有し、
前記絶縁基板が樹脂からなり、前記金属が圧延銅からなり、
前記樹脂のガラス転移温度以下の温度における線膨張係数をα _Ｒ 、前記圧延銅の線膨張係数をα _Ｃｕ 、前記樹脂のガラス転移温度をＴ _ｇ 、前記樹脂の弾性率をＥ、測定時の室温をＲ _Ｔ 、とした場合に、下記の式（１）で算出される応力指数Ｓが１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下である、回路基板を提供できる。
Ｓ＝｜α _Ｒ －α _Ｃｕ ｜×（Ｔ _ｇ －Ｒ _Ｔ ）×Ｅ・・・・式（１）

本発明によれば、樹脂基板上に直接接して設けられる金属の回路パターンを有する場合において、樹脂基板と金属の回路パターンの密着性を向上させ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、図１の領域Ａを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、実施例及び比較例の回路パターンの断面構造を示す図である。

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（絶縁基板）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の厚さ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。

絶縁層１１を構成する樹脂材料の物性について説明する。
樹脂材料のガラス転移温度Ｔｇの下限値は、例えば、１００℃以上であり、好ましくは１２５℃以上であり、より好ましく１５０℃以上である。これにより、樹脂材料（熱硬化性樹脂組成物）の硬化物の熱分解を抑制することができる。また、絶縁層１１（すなわち放熱基板１０）の反りを抑制することができる。その結果、回路パターン２０に実装される電子部品等の放熱基板１０に対する位置ずれを抑制でき、電子部品等と放熱基板１０との間の接続信頼性をより一層高めることができる。一方、上記ガラス転移温度Ｔｇの上限値は、特に限定されないが、例えば、３００℃以下としてもよい。絶縁層１１のガラス転移温度は、ＪＩＳ Ｃ ６４８１に基づいて計測できる。

絶縁層１１は、高い熱伝導性を有する。具体的には、レーザーフラッシュ法により測定される、絶縁樹脂層１０２の厚さ方向の熱伝導率が３．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましい。これにより、回路パターン２０上に実装される電子部品等からの熱を、絶縁層１１を介して金属基板１２に伝達させやすくすることができる。

絶縁層１１の２５℃の弾性率Ｅは、例えば１ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下である。また、剛性が高まり、絶縁樹脂層１０２の反りを低減でき、その結果、電子部品の回路基板に対する位置ずれを抑制でき、電子部品と回路基板との間の接続信頼性をより一層高めることができる観点から、下限値は、好ましくは５ＧＰａ以上であり、より好ましくは１０ＧＰａ以上である。上限値は、特に限定はしないが、現実的な値として上述の５０ＧＰａ以下である。
なお、上記弾性率Ｅは、動的粘弾性測定装置で測定することができ、例えば、絶縁層１１に引張り荷重をかけて、周波数１Ｈｚ、昇温速度５～１０℃／分で－５０℃から３００℃で測定した際の、２５℃の弾性率の値である。

＜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４において後述するが、本実施形態では図４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２０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、放熱基板１０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は、図１の領域Ａを拡大して示した図であって、具体的には放熱基板１０の回路パターン２０の右上の角部２７を示している。

角部２７は、回路パターン２０の外郭線が、上面視において半径０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧を呈する曲線となっている。すなわち、この角部２７の円弧は、図示で水平方向に延びる第１のパターン外郭線２５と図示で上下方向に伸びる第２のパターン外郭線２６とを繋ぐ円弧状の外郭線である。本実施形態では、右上の角部２７について上記半径の円弧を呈する曲線として示しているが、回路パターン２０の四隅の角部が、上記半径の円弧を呈する曲線であることが好ましい。

角部２７が呈する円弧の半径の下限値は、好ましくは０．５ｍｍ以上である。半径の上限値は、特に制限は無いが、実装上の現実的な値として、好ましくは４ｍｍ以下である。

＜回路パターン２０と絶縁層１１の界面＞
絶縁層１１が樹脂からなり、回路パターン２０の金属が圧延銅からなる場合の回路パターン２０と絶縁層１１の界面の構造について、そこに発生する熱応力に着目して説明する。

絶縁層１１の樹脂のガラス転移温度以下の温度における線膨張係数をα_Ｒとする。線膨張係数α_Ｒは、例えば、１０～５０ｐｐｍ／Ｋである。熱膨張係数はＪＩＳ Ｚ２２８５：２００３に準拠した線膨張係数の測定方法を用いて測定することができる。
回路パターン２０の圧延銅の線膨張係数をα_Ｃｕとする。α_Ｃｕは約１７ｐｐｍ／Ｋである。
絶縁層１１の樹脂のガラス転移温度をＴ_ｇ、弾性率をＥとする。ガラス転移温度Ｔ_ｇは、上述のように例えば１００～３００℃である。弾性率Ｅは例えば５～５０ＧＰａである。
測定時の室温をＲ_Ｔ、とした場合に、下記の式（１）で算出される応力指数Ｓが１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下である。この応力指数Ｓは、樹脂上に圧延銅を設けた際のストレスファクタ、すなわち絶縁層１１と回路パターン２０との界面に発生する応力を示しており、低いことが好ましい。上限値は、より好ましくは２５ＭＰａ以下であり、より好ましくは２０ＭＰａ以下である。下限値は、特に限定しないが、角部２７の外郭線が、上面視において半径０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧を呈する場合には、１ＭＰａ以上であっても、適正な密着性を実現できる。特に、次の製造プロセスで説明するように、ルータで切削した後にエッチングを施し回路パターン２０を形成する場合、絶縁層１１と回路パターン２０の界面部分において回路パターン２０の側面部分のスソ引き形状が僅かで有り、界面剥離が発生しにくい。特に、応力指数Ｓが１ＭＰａ以上となる場合であっても、所望の界面の密着性を実現できる。
Ｓ＝｜α_Ｒ－α_Ｃｕ｜×（Ｔ_ｇ－Ｒ_Ｔ）×Ｅ・・・・式（１）

＜放熱基板１０の製造方法＞
図４は放熱基板１０の製造プロセスを示すチャート図である。
（Ｓ１０：積層板作工程（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の絶縁層上面に、回路パターン２０となる金属層２０Ａ（ここでは圧延銅）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。また、このとき、角部２７についても、次のエッチング工程（Ｓ１４）を考慮して、若干大きめの円弧に切削される。

（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。このとき、角部２７は、上面視において半径０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧となる。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た金属の回路パターン２０と、
を有し、
回路パターン２０の外郭線が、上面視において半径０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧を呈する曲線となった角部２７を有する。これによって、角部２７の密着性を向上させることができる。
（２）放熱基板１０において、絶縁層１１は樹脂基板からなる。
（３）放熱基板１０において、回路パターン２０の金属は圧延銅からなる。
（４）放熱基板１０において、絶縁層１１が樹脂からなり、回路パターン２０の金属が圧延銅からなり、
樹脂のガラス転移温度以下の温度における線膨張係数をα_Ｒ、圧延銅（すなわち回路パターン２０）の線膨張係数をα_Ｃｕ、樹脂のガラス転移温度をＴ_ｇ、樹脂の弾性率をＥ、測定時の室温をＲ_Ｔ、とした場合に、下記の式（１）で算出される応力指数Ｓが１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下である。
Ｓ＝｜α_Ｒ－α_Ｃｕ｜×（Ｔ_ｇ－Ｒ_Ｔ）×Ｅ・・・・式（１）
このように、応力指数Ｓが１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の場合であっても、絶縁層１１と回路パターン２０の密着性を良好に実現できる。

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５に実施例及び比較例の断面構造の写真を示す。図５（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５（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５（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５（ａ）に示す実施例では、側面部分のスソ引き形状の領域が僅かで有り、大部分が直線となっている。一般に樹脂は、金属より線膨張率が大きいために、温度変化を伴う環境下では、金属との間の線膨張率の差に起因する熱応力が大きくなる。その結果、回路パターン２０と絶縁層１１の界面剥離が生じる可能性がある。特に、角部２７のような領域で発生しやすい。しかし、本実施例で示すように、絶縁層１１と回路パターン２０の界面部分において回路パターン２０の側面部分のスソ引き形状が僅かで有り、界面剥離が発生しにくい。特に、上述した応力指数Ｓを満たすような場合に、従来と比較して界面の密着性を大幅に向上させ、界面剥離を抑制できる。

この出願は、２０２０年６月２６日に出願された日本出願特願２０２０－１１０３４７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
１２ 金属基板
２０ 回路パターン
２０Ａ 金属層
２０Ｂ 暫定回路パターン
２０Ｂ１ 薄銅部
２７ 角部

Claims (1)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に直接接して設けられた金属の回路パターンと、
   を有し、
   前記回路パターンの外郭線が、上面視において半径０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧を呈する曲線となった角部を有し、
   前記絶縁基板が樹脂からなり、前記金属が圧延銅からなり、
   前記樹脂のガラス転移温度以下の温度における線膨張係数をα _Ｒ 、前記圧延銅の線膨張係数をα _Ｃｕ 、前記樹脂のガラス転移温度をＴ _ｇ 、前記樹脂の弾性率をＥ、測定時の室温をＲ _Ｔ 、とした場合に、下記の式（１）で算出される応力指数Ｓが１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下である、回路基板。
   Ｓ＝｜α _Ｒ －α _Ｃｕ ｜×（Ｔ _ｇ －Ｒ _Ｔ ）×Ｅ・・・・式（１）

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