(57)【要約】【課題】少なくとも片面に電気配線を有し、発熱部品を実装した配線板において、放熱特性を向上させ、かつ、第１金属層３と第３金属層６の熱膨張率差が大きい場合にも、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。【解決手段】厚み０．５mm以上の第１金属層３と、第２金属層５と、厚み１mm以上の第３金属層７がこの順に配置され、第１金属層３と第２金属層５が導電性接着剤層で一体化されている。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。そして、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とα３の差が１０ppm／℃以上であるときに、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５の厚みが第１金属層３の厚みの２０％以上である。【選択図】    図１
2008211166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み０．５mm以上の第１金属層と、第２金属層と、厚み１mm以上の第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、
第１金属層と第２金属層が導電性接着剤層で一体化され、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とα３の差が１０ppm／℃以上であるときに、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％以上であることを特徴とする配線板。
【請求項２】
第２金属層が２層以上配置されており、前記第２金属層同士が導電性接着剤層で一体化されており、前記第２金属層の合計厚みが第１金属層の厚みの２０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の配線板。
【請求項３】
第２金属層の合計厚みが第１金属層の厚みより厚いことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の配線板。
【請求項４】
導電性接着剤層、樹脂絶縁層それぞれを介して隣接する金属層同士の熱膨張率の差を８ppm／℃以下になるように設定す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。
【請求項５】
第２金属層の熱伝導率が、第１金属層の熱伝導率より大きい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。
【請求項６】
第１金属層の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であ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。
【請求項７】
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１〜６のいずれか１項に記載の配線板。
【請求項８】
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金属層が前記導電性接着剤層を用いて一体化されており、
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半田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１〜７のいずれか１項に記載の配線板。
【請求項９】
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半田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１〜７のいずれか１項に記載の配線板。
【請求項１０】
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金属層が前記導電性接着剤層を用いて一体化され、
前記第１金属層の上に１つの発熱素子が半田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１〜７のいずれか１項に記載の配線板。
【請求項１１】
前記第２金属層は、前記第１金属層が一体化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８〜１０のいずれか１項に記載の配線板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、金属層と樹脂絶縁層との密着性が良好である配線板に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
その対策として、例えば、図１（ｂ）において、熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上の樹脂絶縁層６の両面に一体化した第１金属層３及び第３金属層７を銅−モリブデン合金で構成した配線板がある（特許文献１の図１）。この構成は、第１金属層３が低熱膨張金属である銅−モリブデン合金で構成されているため、第１金属層３にパワー素子などの発熱部品を実装した場合でも、半田部のクラックを抑制することができる。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、半田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。
【０００４】
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一般的である。この場合、第１金属層３の熱膨張率（銅−モリブデン合金の場合、約９ppm／℃）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、半田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。
【０００５】
一方、低温焼成絶縁基体と、セラミックを含有する中間層と、ろう材を介して金具が取り付けられてなる配線板において、前記各層の熱膨張率を特定し、ろう付け時における金具の密着強度を向上させる技術がある（特許文献２）。しかしながら、前記セラミックを含有する中間層やろう材等と比較して弾性率が約１／１０００と小さい樹脂絶縁層を配置した配線板では、樹脂絶縁層の熱応力が非常に大きくなるため、更なる改良が必要となる。
【特許文献１】特開２００６−８２３７０号公報
【特許文献２】特許第２５２５８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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第１金属層と第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、第１金属層と第３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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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以上の第１金属層と、第２金属層と、厚み１mm以上の第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、第１金属層と第２金属層が導電性接着剤層で一体化され、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とα３の差が１０ppm／℃以上であるときに、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％以上であることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る他の配線板（請求項２）は、上記請求項１において、第２金属層が少なくとも２層以上配置されている。そして、前記第２金属層同士は導電性接着剤層で一体化されており、前記第２金属層の合計厚みが第１金属層の厚みの２０％以上であることを特徴とする。第２金属層の合計厚みは、第１金属層の厚みより厚くてもよい（請求項３）。好ましくは、導電性接着剤層、樹脂絶縁層それぞれを介して隣接する金属層同士の熱膨張率の差を８ppm／℃以下になるように設定する（請求項４）。
【０００９】
上記請求項１〜４のいずれかの配線板において、好ましくは、第２金属層の熱伝導率を、第１金属層の熱伝導率より大きく設定する（請求項５）。そして、第１金属層の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり（請求項６）、前記樹脂絶縁層の熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上である（請求項７）。
【００１０】
上記請求項１〜７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、導電性接着剤層を用いて一体化する。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つの発熱素子が半田付け接続して、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８）。
【００１１】
上記請求項１〜７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半田付け接続して、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９）。
【００１２】
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金属層を導電性接着剤層を用いて一体化し、第１金属層の上に１つの発熱素子を半田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１０）。
【００１３】
上記請求項１〜７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金属層が一体化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１１）。
【発明の効果】
【００１４】
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２金属層を配置したので、導電性接着剤層や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。
【００１５】
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金属層が銅である場合、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半田部に応力が集中し、半田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、パワー素子直下の第１金属層に、銅−モリブデン合金などの低熱膨張金属（熱膨張率：７〜１０ppm／℃程度）を使用することにより、半田部のクラックを抑制することができる。
【００１６】
一方、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を使用することが一般的である。この場合、アルミニウムの熱膨張率（２０〜２４ppm／℃）と前記低熱膨張金属の熱膨張率の差が１０ppm／℃以上と非常に大きくなる。このため、半田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１．０mm以上の場合には、前記熱応力が大きくなり、金属層と樹脂絶縁層との密着性が大幅に低下する。
【００１７】
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。
【００１８】
上記の構成とすることにより、第１金属層と第３金属層の熱膨張率の差が１０ppm／℃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。
【００１９】
本発明に係る他の配線板は、上記の構成において、第１金属層と第３金属層の間に第２金属層を少なくとも２層以上配置する。そして、前記第２金属層同士は導電性接着剤層で一体化されている。第１金属層と第３金属層の間に２層以上配置した第２金属層の間でも第３金属層に向かって熱膨張率を大きくすれば、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ができ、樹脂絶縁層にかかる熱応力をさらに低減できる。また、樹脂絶縁層で熱伝導が阻害されることがさらに少なくなり、放熱特性をさらに向上することができる。ここで、第１〜第３金属層において、導電性接着剤層や樹脂絶縁層を介して隣接する金属層の熱膨張率の差を８ppm／℃以下になるように設定することが好ましい。第２金属層が導電性接着剤層を介して２層以上存在する場合は、当該金属層間の熱膨張率差も８ppm／℃以下にすることが好ましい。
【００２０】
このとき、第２金属層の合計厚みを第１金属層の厚みの２０％以上とする。第２金属層の合計厚みが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。第２金属層の合計厚みを第１金属層の厚みより厚く設定することにより、放熱効果は一層大きくなる。
【００２１】
さらに、第２金属層の熱伝導率を、第１金属層の熱伝導率より大きく設定することにより、放熱効果は大きくなる。また、第１金属層の熱伝導率が１５０Ｗ／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。
【００２２】
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、導電性接着剤層を用いて一体化する。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つの発熱素子が半田付け接続して、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金属層を一体化すると、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。
【００２３】
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、導電性接着剤層を用いて一体化し、第１金属層の上に１つの発熱素子を半田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。
【００２４】
また第２金属層を、第１金属層が一体化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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明を実施する具体的な形態は、例えば、図１（ａ）に示すような構成が望ましい。厚み０．５mm以上の第１金属層３と、第２金属層５と、厚み１mm以上の第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が半田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が導電性接着剤層４で一体化されている。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とα３の差が１０ppm／℃以上であるときに、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金属層の厚みの２０％以上である。
【００２６】
本発明を実施する他の具体的な形態は、例えば、図２に示すような構成である。厚み０．５mm以上の第１金属層３と、第２金属層１５、２５と、厚み１mm以上の第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が半田２により実装される。そして、第１金属層３と第２金属層１５が導電性接着剤層４で一体化されている。前記第２金属層１５、２５同士も導電性接着剤層１４で一体化されている。第２金属層２５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１５、２５の熱膨張率をα２１、α２２、第３金属層７の熱膨張率をα３としたとき、α１とα３の差が１０ppm／℃以上であるときに、α１＜α２１＜α２２＜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金属層の厚みの２０％以上である。
【００２７】
第１金属層と第３金属層の熱膨張率の差が１０ppm／℃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１０ppm／℃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１５ppm／℃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８ppm／℃以下になるように設定することが好ましい。
【００２８】
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、半田リフロー等の手段により実装する。
【００２９】
第１金属層の熱膨張率を７〜１０ppm／℃とすると、半田接続信頼性が良好となるので好ましい。例えば、銅／モリブデン、銅／インバー、銅／タングステン、銅／クロムなどの銅合金を使用することができる。その中でも銅／クロム合金は、安価であり、かつ、銅／モリブデン合金と同等の接続信頼性が維持できるので好ましい。これら銅合金の電気伝導率は、銅に比べると劣るものの実用上の支障はない。また、アルミニウムとセラミック粒子の複合材であるアルミニウム合金などでもよい。前記アルミニウム合金の電気伝導率は、銅合金に比べると劣るものの実用上の支障はない。
【００３０】
また、第１金属層の熱伝導率を１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすると、放熱特性が向上するので好ましい。さらに、第１金属層の厚みが０．５mm以上であれば、放熱特性を向上できるが、銅合金のような複合材料は、銅に比べて強度や価格が高いことから、加工性やコストを考慮して適宜設定することができる。
【００３１】
第２金属層の熱膨張率を、第１金属層と第３金属層の中間値とすると、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、ＳＵＳや銅を使用することができる。その中でも銅は、  熱伝導率が３９４Ｗ／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。
【００３２】
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。
【００３３】
導電性接着剤層は、半田や銀ろう材、銅ろう材などの比較的融点が低い金属を使用することができる。これらの金属で第１金属層と第２金属層を接着すれば、第１金属層と第２金属層の間の導電性が優れるとともに、熱伝導が促進されるので、放熱特性は非常に優れる。また、金属粒子を含有する樹脂接着剤を使用してもよい。例えば、エポキシ樹脂中に銅粒子を添加した導電性樹脂ペーストなどである。特に、電気抵抗の非常に小さい導電性樹脂ペーストであれば、第１金属層と第２金属層の間の導電性が良好となるとともに、熱伝導性も良好となるので好ましい。
【００３４】
導電性接着剤層の形成は、次の工程で実施することができる。導電性接着剤層が半田などの低融点金属の場合は、第１金属層と第２金属層の間に導電性接着剤層を形成して第１金属層と第２金属層を一体化した後、後述する樹脂絶縁層を形成する。また、導電性接着剤層が導電性樹脂ペーストなどの場合は、後述する樹脂絶縁層を形成して第２金属層と第３金属層を一体化した後、第１金属層と第２金属層の間に導電性接着剤層を形成して第１金属層と第２金属層を一体化してもよいし、前記樹脂絶縁層を形成する際に同時に形成して一体化してもよい。
【００３５】
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とすると、放熱特性を向上できるので好ましい。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【化１】
2008211166.tif 000003
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
図３は、上記図１（ａ）に示した構造を利用して複数（図３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３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、実際の配線板は更別の配線や部品が実装されることになる。なお図３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。図３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３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が導電性接着剤層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が半田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に半田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、半田３２、第１金属層３３及び導電性接着剤層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。
【００４５】
また本実施の形態では、第２金属層３５を、第１金属層３３が一体化される（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３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→導電性接着剤層３４→３つの第１金属層３３→半田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。
【００４６】
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を一体化すると、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３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４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つの導電性接着剤層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３及び図４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。
【００４７】
また例えば図３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。
【００４８】
また上記図３及び図４の実施の形態において、図２に示すように、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。
【実施例】
【００４９】
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。
【００５０】
実施例に使用する材料仕様は以下の通りである。
【００５１】
（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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
（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。
【００５６】
（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。
【００５７】
実施例１
図１（ａ）の構成材料として、下記の材料を準備した。
【００５８】
１）第１金属層３：銅／インバー合金（厚み０．５mm、熱膨張率１０ppm／℃、熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ）
２）第２金属層５：ＳＵＳ３０４（厚み０．１mm、熱膨張率１７ppm／℃、熱伝導率１４Ｗ／ｍ・Ｋ）
３）第３金属層７：アルミニウム合金４０３２（厚み１．０mm、熱膨張率２０ppm／℃、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）
４）樹脂絶縁層６：プリプレグａ
第１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２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金属層を一体化した。
【００５９】
次に、図１（ａ）の構成となるように、第３金属層−プリプレグａ１枚−（第１金属層を一体化した第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。
【００６０】
実施例１で得た配線板について、素子発熱温度、剥離面積率および半田接続信頼性を測定した結果を、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。
【００６１】
熱膨張率：配線板から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。
【００６２】
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−Ａ１４１２準拠）にて測定した。
【００６３】
素子発熱温度：所定形状に回路加工した第１金属層に発熱素子（セラミックヒータチップ）を半田付し、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。
【００６４】
剥離面積率：所定形状に加工した配線板を最高温度２６０℃のリフロー炉で６０秒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。
【００６５】
実施例２
実施例１において、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）を使用する以外は実施例１と同様にして配線板を得た。第２金属層の熱伝導率を大きくしたことにより、素子発熱温度が低減し、放熱特性が向上した。
【００６６】
実施例３
実施例２において、第３金属層としてアルミニウム１１００（厚み１．０mm、熱膨張率２４ppm／℃、熱伝導率２２０Ｗ／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。第３金属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。
【００６７】
実施例４
実施例３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９ppm／℃、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。
【００６８】
実施例５
実施例４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４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。
【００６９】
実施例６
実施例５において、第２金属層として銅（厚み０．６mm、熱膨張率１７ppm／℃、熱伝導率３９４Ｗ／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。
【００７０】
実施例７
実施例６において、第１金属層として銅／クロム合金（厚み０．５mm、熱膨張率１０ppm／℃、熱伝導率１８０Ｗ／ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例６と同様にして配線板を得た。第１金属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。
【００７１】
比較例１
実施例１において、第２金属層を配置しないこと以外は実施例１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。
【００７２】
比較例２
実施例４において、第１金属層として銅／モリブデン合金（厚み０．４mm、熱膨張率９ppm／℃、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例４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。
【００７３】
比較例３
実施例４において、第３金属層としてアルミニウム１１００（厚み０．５mm、熱膨張率２４ppm／℃、熱伝導率２２０Ｗ／ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例４と同様にして配線板を得た。比較例３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。
【００７４】
比較例４
実施例４において、第２金属層として銅（厚み０．０５mm、熱膨張率が１７ppm／℃、熱伝導率３９４Ｗ／ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例４と同様にして配線板を得た。比較例４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。
【００７５】
比較例５
実施例４において、第１金属層として銅／クロム合金（厚み０．５mm、熱膨張率１０ppm／℃、熱伝導率１８０Ｗ／ｍ・Ｋ）を使用し、第２金属層として銅／モリブデン合金（厚み０．１mm、熱膨張率が９ppm／℃、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）を使用すること以外は実施例４と同様にして配線板を得た。比較例５においては、第２金属層の熱膨張率が第１金属層の熱膨張率より大きいので、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。
【００７６】
比較例６
実施例４において、第３金属層として銅（厚み１．０mm、熱膨張率が１７ppm／℃、熱伝導率３９４Ｗ／ｍ・Ｋ）を使用する以外は実施例４と同様にして配線板を得た。比較例６においては、第１金属層と第３金属層の熱膨張率の差が１０ppm／℃未満であるので、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。なお、第３金属層として銅を使用した場合は、アルミニウムやアルミニウム合金を使用した場合に比べ、コストが高い、錆びる、軽量化できないという問題があり、放熱板として適していない。
【００７７】
実施例２〜７、比較例１〜６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。
【表１】
2008211166.tif 000004
【表２】
2008211166.tif 000005
【００７８】
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とα３の差が１０ppm／℃以上であるときに、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％以上としたので、放熱特性が向上し、剥離面積率を抑えられていることが理解できる（実施例１〜８と比較例１〜６との対比）。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態に係る配線板断面図、（ｂ）は従来の配線板断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る配線板断面図である。
【図３】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。
【図４】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。
【符号の説明】
【００８０】
１、３１  発熱素子
２、３２  半田
３、３３、３３′  第１金属層
４、１４、３４、３４′  導電性接着剤層
５、１５、２５、３５  第２金属層
６、３６  樹脂絶縁層
７、３７  第３金属層
【図１】
2008211166.tif 000006
【図２】
2008211166.tif 000007
【図３】
2008211166.tif 000008
【図４】
2008211166.tif 000009