JP7240953B2 - 金属ベース基板 - Google Patents

Description

本発明は、多層プリント配線板（両面プリント配線板を含む）に関し、特に、金属ベースを用いた多層プリント配線板より形成された金属ベース基板に関する。

従来技術では、一般的に数ＫＷから数十ＫＷ以下の電力変換器は小型化と低コスト化を実現する為、プリント配線板を用いて導体層を形成する。プリント配線板にはスイッチングデバイス（ＭＯＳ－ＦＥＴ）などの電子デバイスが実装されるが、電力変換器の電力変換動作によって電子デバイスに大きな電力損失が生じる。例えば、数ＫＷを出力するインバータに用いられるスイッチングデバイスの電力損失は数Ｗから数十Ｗになる。このような電力損失を原因とする電子デバイスやプリント配線板の温度上昇を抑制するため、プリント基板に高い放熱性が求められている。

高い放熱性を有するプリント配線板として金属ベース基板が広く知られている。金属ベース基板は、金属板に絶縁接着層を介して銅箔を積層し導体層形成するプリント配線板である。金属ベース基板の金属板面に放熱用のフィンを取り付けることで、導体層に実装される電子デバイスとプリント配線板の温度上昇を抑制することが可能となる。

シンプルな金属ベース基板の構造としては、導体層が１層の片面金属ベース基板がある。
１層の導体層では、異なる導体層を交差するようにレイアウト設計できない為、多数のピンもしくは端子を有する電子デバイスを用い、各ピンもしくは各端子を高密度に接続する導体層を形成することは困難である。このような高密度な導体層を形成するには、一般的に導体層を２層以上で形成する多層プリント配線板が必要になる。

このような状況を鑑み、金属ベース基板は、電子デバイスのピンもしくは端子数が少なく、各ピンもしくは各端子を接続する構成が単純で、高い放熱性が要求される回路（例えば、インバータの場合、複数のスイッチングデバイスを用いて形成するブリッジ回路）に限定して用いられる。この場合、高密度回路（例えば、インバータの場合、スイッチングデバイスを制御する集積回路などを用いた回路）は金属ベース基板を用いて形成できないため、金属ベース基板とは別の多層プリント配線板を用いて形成することになる。その結果、電力変換器を形成するプリント配線板が、片面金属ベース基板と多層プリント配線板の２種類になり、筐体への配置スペースの点で小型化が妨げられる。

このような問題に対峙するため、２層以上の多層プリント配線板に絶縁接着層を介して金属板を接合した金属ベース基板が開発されている。多層プリント配線板と絶縁接着層を介して金属板を接合した金属ベース基板を用いることで、高い放熱性を実現するだけでなく、従来、片面金属ベース基板とプリント配線板で形成していた配線回路を同一の基板で形成することが可能となり、電力変換器の小型化が可能となる。

金属ベース基板の従来技術について説明すると、片面の金属ベースプリント配線板については、金属板に絶縁接着層を介して銅箔が積層され、写真法により銅箔に必要な配線回路が形成され片面金属ベース基板となる（特許文献１参照）。通常、形成された配線回路に実装された部品からの熱を絶縁接着層の下部に配置された金属板にて放熱する仕組みになっている。従って、絶縁接着層には無機フィラーが６０％から９０％含有されることで放熱性を高めている。

基板の小型化・高密度化を考慮すると、金属板に絶縁接着層を介して２層以上の多層プリント配線板を積層する必要がある。片面金属ベース基板と多層プリント配線坂を積層した金属ベース基板の異なるところは、前者は、絶縁接着層上に銅箔を積層し、その後、写真法にて回路形成を行うが、後者は、多層プリント配線板の絶縁層の一方の面に、既に回路形成がされていて、回路形成面を絶縁接着層に積層する。そのため、絶縁接着層での回路の埋め込み性が重要となる。

しかし、絶縁接着層は、発熱部品からの放熱性を高める為、無機フィラーの含有量が多く、絶縁樹脂の含有量が少なくなっている。そのため、絶縁接着層に多層プリント配線板の回路形成面を積層すると以下に示す問題が発生する恐れがあった。

図５を用いて、従来技術の金属ベース基板の問題点について説明する。金属ベース基板２００は、金属板３０に絶縁接着層２０を介して両面プリント配線板１０が積層されている。両面プリント配線板１０の表裏面には、配線回路１１、１２が配置され、配線回路１２を備えた面が絶縁接着層２０に接する面となる。

両面プリント配線板１０の配線回路１２の導体面積が少ない場合、絶縁接着層２０に含有される絶縁樹脂量が少ない為、積層工程で金属ベース基板２００の端面部分に絶縁樹脂が回りこまず、金属ベース基板の外形加工工程で、金属ベース基板を個片化する際に、金型によるプレス加工で打ち抜く際のせん断応力によって、絶縁接着層２０と両面プリント配線板１０の間で剥離６０が発生する恐れがあった。また、ルータ加工による外形加工を実施しても、金型加工よりは程度がよいものの、本質的な改善には至らなかった。

特開平６－３５０２１２号公報

金属ベース基板の小型化・高密度化及び高放熱性を維持するには、プリント配線板に形成された配線回路の絶縁接着層での埋め込み性を改善する必要があると考えられる。

本発明は、上記の如き従来の問題と実状に鑑みてなされたものであり、金属ベース基板において、小型化・高密度化及び高放熱性を実現し、絶縁接着層と積層する多層プリント配線板との密着性を改善することを目的とする。

本発明者は、金属板に絶縁接着層を介してプリント配線板を積層する際に、絶縁接着層に接する面のプリント配線板の配線回路の面積をできるだけ増やすことで、配線回路間への絶縁樹脂の回り込みを少なくし、金属ベース基板の端面に絶縁樹脂を回り込ませることができることを見出した。

本発明は、少なくとも、表裏面に配線回路を備えたプリント配線板と、当該配線回路を備えたプリント配線板の一方の面に絶縁接着層を介して金属板が配置された金属ベース基板であって、当該プリント配線板の絶縁接着層面の配線回路の空きスペースであり且つ絶縁接着層面の外周部にダミーパターンが設けられていることを特徴とする金属ベース基板により、上記課題を解決したものである。

前記ダミーパターンは、前記プリント配線板の絶縁接着層面の外周部に設けられていることを特徴とする金属ベース基板である。

前記ダミーパターンは、前記プリント配線板の絶縁接着層面の外周部に分割して設けられていることを特徴とする金属ベース基板である。

前記ダミーパターンは、通電しない回路であることを特徴とする金属ベース基板である。

前記ダミーパターンは、金属板と同等の電位である回路であることを特徴とする金属ベース基板である。

前記ダミーパターンは、前記プリント配線板のグランド電位と同等の電位である回路であることを特徴とする金属ベース基板である。

前記ダミーパターンは、配線回路の残銅率を増やした回路であること特徴とする金属ベース基板である。

本発明の金属ベース基板によれば、絶縁接着層と接するプリント配線板の回路形成面の配線回路の空きスペースにダミーパターンを設けることによって、絶縁接着層との密着性を向上させることが可能となる。特に、ダミーパターンを当該回路形成面の外周部に配置することでより絶縁接着層との密着性が向上する。

本発明金属ベース基板の実施の形態を示す概略断面図。 本発明金属ベース基板の絶縁接着層面（Ｌ２面）の概略平面図。 ダミーパターンの第一変形例を示す概略平面図。 ダミーパターンの第二変形例を示す概略平面図。 従来技術の概略断面図。

以下、先ず、図１を用いて本発明金属ベース基板の実施の形態を説明する。

図１において、金属ベース基板１００は、表裏面に配線回路１１、１２を備えた両面プリント配線板１０と、当該両面プリント配線板１０の配線回路１２を備えた面に絶縁接着層２０を介して配置された金属板３０とから構成されている。当該両面プリント配線板１０の絶縁接着層面（Ｌ２面）８０の配線回路１２の空きスペースには、ダミーパターン４１、４２が設けられている。ダミーパターン４１は、当該絶縁接着層面８０の外周部に設けられ、また、ダミーパターン４２は、当該絶縁接着層面８０の内側部に設けられている。また、両面プリント配線板１０の配線回路１１側にはソルダーレジスト５０が配置されている。
このように、両面プリント配線板１０の絶縁接着層面８０に配線回路１２及びダミーパターン４１、４２を配置し、積層することにより、絶縁接着層２０に含有される絶縁樹脂が配線回路１２とダミーパターン４１、４２の間隙を埋め込む。
絶縁接着層２０は、無機フィラーであるセラミック粒子としてアルミナ、シリカや窒化珪素等が含有され、無機フィラーの含有量は重量比率で６０％から９０％である。そのため、１Ｗ／ｍＫから１０Ｗ／ｍＫ程度の放熱効果がある。
金属板３０として好ましくは、アルミニウム、洋白や真鍮などの銅合金、銅、銅クラットインバー、ステンレス鋼、鉄、珪素鋼などを用いることができる。
本実施形態では、金属板３０に絶縁接着層２０を介して両面プリント配線板１０を配置した構造を示したが、多層プリント配線板である４層貫通プリント配線板や６層貫通プリント配線板、ビルドアッププリント配線板が適宜使用されることは言うまでもない。

上記のとおり、絶縁接着層２０は、放熱効果を上げるために、無機フィラーからなるセラミック粒子を重量比率で６０％から９０％含有している。よって、放熱効果が損なわれる為、無機フィラーからなるセラミック粒子の含有量を少なくし、絶縁樹脂量を多くすることは困難である。本発明者によれば、両面プリント配線板１０の絶縁接着層面８０において配線回路１２以外の空きスペースを少なくすること、すなわち、ダミーパターン４１、４２として配線回路１２の残銅率を増やした回路を形成することで、絶縁樹脂量が少なくても絶縁接着層２０と両面プリント配線板１０の絶縁接着層面８０との密着性を向上することが可能となった。

さらに、ダミーパターン４１を両面プリント配線板１０の絶縁接着層面８０の外周部に配置することで、金属ベース基板１００を個片化する際に、例えば、金型を用いて打ち抜き加工する場合に、ダミーパターン４１が基板外形加工端にあって金型のポンチの押さえとなるため、金属ベース基板１００の端面部分、特に、絶縁接着層２０と両面プリント配線板１０間での絶縁接着層２０の剥離やクラックを抑制することができる。

本実施形態では、ダミーパターン４１を両面プリント配線板１０の絶縁接着層面８０の外周部に配置することで、ダミーパターン４１と金属板３０が近接し、絶縁距離の不足等により絶縁破壊を生じる恐れがある。絶縁破壊によって、電力変換器の機能及び性能、安全性が損なわれる可能性がある。
そのため、ダミーパターン４１は、両面プリント配線板１０を含めた他の配線回路に接続せず、通電しない回路であるのが望ましい。ここで、通電しない回路とは電圧を印加しない回路、もしくは電流を流さない回路を意味する。この構成により、金属板３０とダミーパターン４１の絶縁破壊が生じても電力変換器の機能及び性能、安全性が損なうことがない。

また、ダミーパターン４１は、金属板３０と同等の電位になる回路であるのが望ましい。この構成により、金属板３０とダミーパターン４１の絶縁破壊の発生を抑制することができる。
金属板３０と同等の電位にする方法として、例えば、放熱用のフィンや電力変換器の筐体などに、金属ベース基板１００を基板固定部材（ねじ、固定金具、導電性接着剤等）で取付する際、基板固定部材を介してダミーパターン４１と金属板３０を接続する。
さらに、ダミーパターン４１は、ガードパターンとして作用し、金属ベース基板１００から発生するノイズ及び金属ベース基板１００の外部から流入するノイズを抑制することができる。特に、ダミーパターン４１の電位を、両面プリント配線板１０のグランド電位に設定することで、より効果的にノイズを抑制することができる。

従来、ガードパターンは、プリント配線板の外周から絶縁距離に相当する間隙を確保して配置する。そのため、配線回路を配置可能な面積が、ガードパターンによって制限されていた。しかし、本実施形態では、ガードパターンを基板外形加工端に配置できるため、配線回路１１、１２を配置可能な面積が制限されず、基板の小型化が可能になる。
また、ガードパターンは、絶縁樹脂層２０が剥離しない範囲で、両面プリント配線板１０の外周から間隙を空けて配置してもよい。

次に図２を用いて、両面プリント配線板１０の絶縁接着層面（Ｌ２面）８０について説明する。

図２は、両面プリント配線板１０の絶縁接着層面（Ｌ２面）８０の概略平面図で、当該絶縁接着層面８０は、両面プリント配線板１０の面のうち絶縁接着層２０に接する面である。ただし、図２において便宜上配線回路１２の表記は省いている。
当該絶縁接着層面８０の外周部に設けられたダミーパターン４１と、当該面８０の内側部に設けられたダミーパターン４２の存在により、絶縁接着層２０の絶縁樹脂の埋め込み性及び金属ベース基板１００の外形加工の際にも絶縁樹脂層２０の剥離等が無く良好な金属ベース基板１００を製造することができる。本実施形態は、特に、絶縁接着層２０の無機フィラーからなるセラミック粒子の含有量が重量比率で８０％から９０％前後のときに用いられ、絶縁接着層２０の絶縁樹脂分が少ないため絶縁樹脂の流動性を押さえ密着性を向上させる。
なお、ダミーパターン４１は、通電しない回路あるいは金属板３０と同等の電位になる回路、もしくはグランド電位と同等の電位になる回路であるのが望ましく、ダミーパターン４２は、配線回路の残銅率を増やした回路であるのが望ましい。

次に図３を用いて、ダミーパターン４１の第一変形例について説明する。

図３は、図２と同様に両面プリント配線板１０の絶縁接着層面（Ｌ２面）８０の概略平面図である。図２とは、ダミーパターン４１が２分割にされているところが異なる。この第一変形例では、好ましくは、ダミーパターン４１は、通電しない回路あるいは金属板３０と同等の電位になる回路、もしくはグランド電位と同等の電位になる回路であり、ダミーパターン４２は、配線回路の残銅率を増やした回路である。この第一変形例は、特に、絶縁接着層２０の無機フィラーからなるセラミック粒子の含有量が重量比率で７０％から８０％前後のときに用いられ、スリット４３に絶縁接着層２０の余分な絶縁樹脂を流動させ密着性を向上させる。

次に図４を用いて、ダミーパターン４１の第二変形例について説明する。

図４は、図２と同様に両面プリント配線板１０の絶縁接着層面（Ｌ２面）８０の概略平面図である。図２とは、ダミーパターン４１が４分割されているところが異なる。この第二変形例では、好ましくは、ダミーパターン４１は通電しない回路あるいは金属板３０と同等の電位になる回路、もしくはグランド電位と同等の電位になる回路であり、ダミーパターン４２は配線回路の残銅率を増やした回路である。この第二変形例は、特に、絶縁接着層２０の無機フィラーからなるセラミック粒子の含有量が重量比率で６０％から７０％前後のときに用いられ、スリット４３に絶縁接着層２０の余分な樹脂をスリット４３に流動させ密着性を向上させる。

１０：両面プリント配線板
１１：配線回路
１２：配線回路
２０：絶縁接着層
３０：金属板
４１、４２：ダミーパターン
４３：スリット
５０：ソルダーレジスト
６０：剥離（絶縁接着層）
８０：両面プリント配線板１０の絶縁接着層面（Ｌ２面）
１００：金属ベース基板
２００：従来技術の金属ベース基板

Claims (6)

1. 少なくとも、表裏面に配線回路を備えたプリント配線板と、当該配線回路を備えたプリント配線板の一方の面に絶縁接着層を介して金属板が配置された金属ベース基板であって、当該プリント配線板の絶縁接着層面の配線回路の空きスペースであり且つ絶縁接着層面の外周部にダミーパターンが設けられていることを特徴とする金属ベース基板。
2. 前記ダミーパターンは、前記プリント配線板の絶縁接着層面の外周部に分割して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の金属ベース基板。
3. 前記ダミーパターンは、通電しない回路であ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基板。
4. 前記ダミーパターンは、前記金属板と同等の電位である回路であ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基板。
5. 前記ダミーパターンは、前記プリント配線板のグランド電位と同等の電位である回路であ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基板。
6. 前記ダミーパターンは、前記配線回路の残銅率を増やした回路であ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基板。

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