JPS59208892A - メタルコア・プリント基板の構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）　　発明の技術分野 本発明はメタルコア・プリント基板に係り、詳しくは金
属基板の表面に形成された絶縁層の構成に関する。

（ｂｌ　　技術の背景 電子計算機等の電子機器は最近径々高性能化。

小型化されてきて、電子部品やその回路を出来るだけ狭
い空間に実装する所謂高密度実装に関する技術の開発が
急である。殊に高密度実装化によって生ずる熱の高密度
発生をいかに処理するかということは深刻な技術問題の
一つとなっている。

その対策の一環として、金属板を芯材としてその表面を
絶縁被覆層で覆ったメタルコア・、プリント基板はその
優れた放熱特性のために近時注目を集めてきている。

高密度実装の別の対策として、半導体集積回路素子をセ
ラミックのパンケージに収容したセラミックチップキャ
リアや、必要に応じてはさらにセラミック基板に複数の
前記パッケージを搭載したマザーボードを基板とする所
謂マルチパッケージ等のセラミックを材料とするパッケ
ージが多用されてきているが、該セラミック材料とこれ
らを実装搭載するプリント基板の材料１例えばガラス・
エポキシ基板との熱膨張係数の差が大きいことに起因し
て両者間の接続部の半田層が繰り返し熱応力を受けて疲
労破壊する等の問題もある。

（Ｃ）　　従来技術と問題点 メタルコア・プリント基板は芯材の金属基板の高い熱伝
導性と構成材料を適当に選択することにより総合的熱膨
張係数をセラミックのそれに近似し得る等の特性から前
述の２つの問題を解決し得る−」−、セラミック基板等
に比べ１機械加工性に優れ、大寸法の板が得られるので
８機械的設計の自由度が高く１機械的強度があり、さら
に耐熱性はセラミックに劣らず、現在液も広く使用され
ているガラス・エポキシ基板よりは遥かに優れた点があ
る。

現在使用あるいは研究されているメタルコア・プリント
基板の金属基板材料としては、低炭素鋼板、アルミニウ
ム板の外に２冷間圧延鋼板、鉄板。

Ｎｉ−Ｆｅ合金の４２合金等がある。これらの金属基板
は既にのべた長所の外に、アルミニウムを除く鉄系の金
属基板は磁気回路や磁気シールドに利用出来る点も自利
である。

以上のような多くの利点の反面、主に製造コストの点や
多層構成の点では在来のプリント基板に劣る点があり、
各種の改善が行われている。

現在の代表的なメタルコア・プリント基板に就アルミニ
ウムを金属基板とするメタルコア・プリント基板の一例
の一部断面図を第１図に示す。

金属基板１は１〜２ｍｍのアルミニウム板で、その表面
にアルマイト層２（２０〜３０μｍ）を硫酸陽極酸化法
で形成し、封孔処理を施した後、エポキシ系の接着剤で
銅箔４を１５０〜１７０℃で熱圧着して形成した構成で
ある。このエポキシ系の接着剤層３も絶縁被覆層の（Ｉ
Ｊきをする。

第１図にはさらに銅箔４をエツチングして回路を形成し
、銅のヒートシンク５を介してパワートランジスタ６を
実装し、小信号トランジスタ７゜抵抗体８を実装した例
を示しである。

熱伝導率を比較すると、アルミニウムは通常のガラス・
エポキシ基板より３桁も高くてアルミナの約１０倍あり
、熱放散性に優れている上、板の寸法も１ｍ以上のもの
が得られ、プリント基板と筐体部を同時に成形出来る等
の機械的加工の自由度がよく、従って工程の自動化が容
易である。

この種のものには、アルマイト層２を欠いたものや、絶
縁被覆層にガラス・エポキシを材料とするもの等の多種
の変形がある。

第２図は金属基板１の材料に鋼板を用い、絶縁被覆層３
をエポキシ樹脂とした両面配線基板であって、該金属基
板１を例えば通話路スイッチには磁気回路の一部として
、トランク回路用には磁気シールドとして利用している
。

絶縁被覆層３を形成する方法としては、粉体エポキシ樹
脂の中に加熱した金属基板１を入れて引き上げる所謂流
動浸漬法がある。この製法は比較的に低コストですみ、
量産になればガラス・エポキシ基板に対抗出来ると期待
されている。

また１図に示してないが、搭載するセラミソクチンプキ
ャリアの半田接続部の熱疲労破壊を避けるために、セラ
ミック（アルミナ）の熱膨張係数（６４〜７０．単位１
０−７℃−１，以下同じ）に近い熱膨張係数を有するＮ
ｉ−Ｆｅ合金の４２合金板（０，７６ｍｍ厚。

熱膨張係数は（５７〜７８）を金属基板１とし、ガラス
・エポキシを絶縁被覆層３としたメタルコア・プリン１
一基板があり、これに電子部品を搭載したものは厳しい
熱衝撃繰り返し試験に耐えると報告されている。

なお、ガラス・エポキシ樹脂の熱膨張係数は。

１．４０〜１５０である。

この外に鋼板を金属基板１とし、その表面を低アルカリ
硼珪酸ガラスを主成分とする琺瑯質で被覆した琺瑯プリ
ント基板があり耐熱性が６７０　’Ｃと優れているとい
う特徴があり、自動車のエンジン・ルーム等に用いられ
ているが、印刷回路の配線材料の銅、あるいは銀・パラ
ジウム等がその焼付温度（約６００℃）において不安定
であり、配線パターンの材料も高価につくと言う難点が
ある。

さらにガラス表面の特有の欠陥として、ある程度の電界
強度が存在する場合には、特に湿度と温度の高い場合に
は、金属イオンが表面を泳動する所謂イオン・マイグレ
ーションという現象があり。

これが導体パターン同志の狭い間隙部で発生し易いので
、琺瑯プリント基板は細緻な導体パターンの形成、すな
わち高密度実装に不適当とい・う欠点から免れることが
出来ない。

以上に述べたように、メタルコア・プリント基板の分野
では各種の方向に開発実用化が進められている段階であ
るが、その放熱性、耐熱性２機械加工性等の従来のプリ
ント基板にない特徴を生かしてそのコストを削減するこ
とが出来れば、広汎な用途を有する製品である。

（ｄｌ　　発明の目的 本発明は前述の点に鑑みなされたもので１通當のセラミ
ックプリント基板と同等の耐熱性と熱膨張係数を備え、
放熱性の高い、かつ廉価なメタルコア・プリント基板を
提供しようとするものである。

ｔｅ＋　　発明の構成 上記の発明の目的は、金属基板と絶縁被覆層とからなる
メタルコア・プリント基板において、該金属基板に銅ま
たはニッケルおよび金属酸化物よりなる焼結層を形成し
た後、その上に順次に１０〜５０％のガラス成分を含む
アルミナ絶縁被覆層と高アルミナ・セラミックを材料と
する絶縁被覆層とをそれぞれ塗布、焼成して形成するこ
とにより容（ｆｌ　　発明の実施例 以下本発明の実施例につき図面を参照して説明する。第
２図は本発明に基づくメタルコア・プリント基板の一実
施例の構成を示す部分断面図である。

本実施例においては、金属基板１１として４２合金にッ
ケル４２％、鉄５８％の合金）を採用する。

まず、水素炉中で加熱するか、化学的に表面処理をして
１表面を浄化した後、ニッケルあるいは銅の金属粉末と
Ｂｉ＋Ｂ＋Ｐｂ、Ｓｉ、Ｓｂ、へ１等の酸化物粉末とを
溶媒で糊状に混合した金属ペースト（例えばＤｕｐｏｎ
社、　Ｃｕ＃　９９２３）を金属基板１の表面に所定厚
さに塗布し、窒素炉等の非酸化性雰囲気炉中で９００℃
まで加熱して、厚さ１５〜２０μｍの金属粉末焼結層１
２を形成する。該金属粉末は金属基板１１の４２合金板
表面と相互拡散層を介して強固に接合する。

その次ぎに金属粉末焼結層１２の上にガラス成分（例え
ば結晶化ガラスＰｂＯ−５ｉＯ□−Ｂ工０３−Ａｌユ０
３−Ｍｇ０）３０％を含むアルミナ粉末ペースト（例え
ばＤｕｐ。

ｎ＃４４８０）で構成される中間絶縁被覆層１３を約２
０〜２５μｍの厚さに被覆して塗布した後金属粉末焼結
Ｎ１２の場合と同一の条件で焼成する。この層内のガラ
ス成分は予め前記金属ペーストに含有した金属酸化物と
結合して金属粉末焼結層１２と接合し。

同時に次ぎに形成するアルミナ絶縁被覆層１４と結合す
るための結合剤の役を果たすものである。

最後にガラス成分１％以下を含むアルミナ粉末ペースト
（例えばＤｕｐｏｎ　＃４２７５）を前記中間絶縁液ａ
ｍ　１３の上に被覆して、厚さ約２５〜３０μｍのアル
ミナ絶縁被覆層１４を形成し中間絶縁被覆層１３と同様
に焼成する。ガラス成分が１％以下のペーストを使用し
たのは、該アルミナ絶縁被覆層１４上に後に印刷回路の
導体パターン（例えば銅の厚膜）を形成した時に、その
表面にガラス質の薄層が浸出して半田付は性を低下させ
るのを防止するためである。

しかし、ガラス成分が１％′以上でも半田付は性が低下
しないペーストがあれば問題はなく、ガラス成分を特に
規制するものではない。

以上の金属ペースト、中間絶縁被覆層１３用のガラス−
アルミナペーストおよびアルミナ絶縁被覆層１４用のア
ルミナペーストの塗布にはいずれもスクリーン印刷法を
採用している。

以上が本発明に基づくメタルコア・プリント基板の構成
の一実施例であるが、金属基板１１の材質。

金属粉末焼結Ｎ１２に用いる金属の材質、ペーストの成
分構成比、中間絶縁被覆層１３のガラス成分の構成比お
よび各層の厚さに就いては種々の組合せがある。発明者
の実験によれば、中間絶縁被覆層１３のガラス成分の構
成比は１０〜５０％が適当である。

特に金属基板１１の熱膨張係数とアルミナ絶縁被覆層１
４の熱膨張係数との整合が強固な眉間結合を得るのに肝
要であり、この点からはアルミナに近似の熱膨張特性を
有する鉄・ニッケル合金、鉄・ニッケル・コバルト合金
、あるいはモリブデンが最適であり、又メタルコア・プ
リント基板としての放熱特性を向上する点からは、上記
の金属材料に銅をクラッドした複合金属材料が有効であ
る。

以上に述べた本発明に使用する金属基板１１は大寸法の
板の形で供給されるので、！！造設備さえ大型にすれば
、大寸法のメタルコア・プリント基板を製造出来るので
、アルミナセラミック基板のように寸法」二の制約もな
く８価格上からも寸法の大きい程割高になることもなく
廉価である。

また１本発明によるメタルコア・プリント基板は機械的
にも強靭で機械加工上の制約がなく任意の形に成形可能
であり、メタルコア・プリント基板特有の機械的自由度
を十分に保有している。

さらに１本質的に金属基板の総合熱膨張係数は表面層の
アルミナ絶縁被ｍ層の熱膨張係数に近似する様にしであ
るので、前述のように近年流行のセラミックパッケージ
の実装に対し、セラミックパッケージとプリント基板と
の熱膨張係数差に基づく半田接続部の熱疲労破壊の恐れ
も解消する。

（ｇｌ　　発明の効果 以上の説明から明らかなように１本発明による構成のメ
タルコア・プリント基板を使用して一般電子機器のプリ
ント基板として使用すれば、その高い熱放散性により高
密度実装が可能となり、その広い機械加工自由度から機
械的に自由な設計が可能となり、ひいては工程の自動化
を可能にするという利点がある。

さらにセラミック基板に比べ、殿械的な強度が高く、而
もセラミンク基板なみの耐熱性を有するので自動車等の
苛酷な環境の使用に耐えることが出来る。

加えて、従来のセラミック基板に使用してきた印刷回路
用インク等の材料やその回路形成技術がその侭活用出来
る上、琺瑯メタルコア・プリント基板におけるようなガ
ラス成分による印刷回路の半田付は性不良や導体パター
ン間の狭い間隙をイオン・マイグレーションによる電気
絶縁の低下等の不安定性がない等、信頼性」二からも多
くの特徴を兼ね備えている。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のメタルコア・プリント基板の一例として
アルミニウムを金属基板とするメタルコア・プリント基
板の構成と、電子部品実装状況を示す断面図、第２図は
鉄を金属基板とする従来のメタルコア・プリント基板を
示す断面図、第３図は本発明に基づくメタルコア・プリ
ント基板の一実施例の構成を示す断面図である。 図において、１．１１は金属基板、２はアルマイＩ一層
、３ば絶縁被覆層、４は銅箔、６はパワートランジスタ
、１２は金属粉末焼結層、１３は中間絶縁被覆層、１４
はアルミナ絶縁被覆層をそれぞれ示す。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 金属基板と絶縁被覆層とからなる構成において。 該金属基板に銅またはニッケルおよび金属酸化物よりな
   る焼結層を形成した後、その上に順次に１０〜５０％の
   ガラス成分を含むアルミナ絶縁被覆層と高アルミナ・セ
   ラミックを材料とする絶縁被覆層とをそれぞれ塗布、焼
   成したことを特徴とするメタルコア・プリント基板の構
   造。