金属ベース回路基板
【課題】歪み、反りを抑制可能な金属ベース回路基板を提供する。
【解決手段】熱膨張係数の大きな絶縁層Ａを熱膨張係数の小さな絶縁層Ｂで挟み込む構造としたため、絶縁層Ａの収縮／膨張を絶縁層Ｂが打ち消すように収縮／膨張し、応力を打ち消す方向で緩和させることにより、熱膨張の影響を軽減できる。このため、反りや歪みを極力抑制する一方で、上下層の接合強度が保たれ、設計の自由度を損なわない、信頼性のある回路構成とすることができる。
【解決手段】熱膨張係数の大きな絶縁層Ａを熱膨張係数の小さな絶縁層Ｂで挟み込む構造としたため、絶縁層Ａの収縮／膨張を絶縁層Ｂが打ち消すように収縮／膨張し、応力を打ち消す方向で緩和させることにより、熱膨張の影響を軽減できる。このため、反りや歪みを極力抑制する一方で、上下層の接合強度が保たれ、設計の自由度を損なわない、信頼性のある回路構成とすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ベース回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりセラミックをベースとした基板上に回路を形成し、電子部品を実装した配線基板が用いられている。このセラミック基板は、用途によっては放熱性が十分とは言えない場合があっため、より放熱性の高い多層配線基板を提供すべく、セラミック基板に替えて、アルミニウム等の金属板をベースとした配線基板が用いられている。
【０００３】
しかしながら、金属板を用いると、金属特性ゆえに放熱性が高い反面、基板上に形成される絶縁層や印刷回路に比べて熱によって膨張または収縮し易く、製造工程における焼成等の加熱によって発生する歪み・反りが問題となっていた。
【０００４】
金属をベースとした配線基板に関する従来技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１は、金属ベースと導電層間の絶縁体に改良を施すことにより、放熱性を低下させることなく、絶縁性を確保し、かつ、金属ベースの反り、ねじれを抑制し得る金属ベース回路基板を提供するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３２７１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の金属ベース回路基板では、ベース基板と、そのベース基板上に形成される印刷回路や絶縁層は、それぞれ熱膨張係数が相違することから、金属板の反りを完全に除去することはできなかった。また、ヒートサイクルによって生じる印刷回路と金属板の応力によって、印刷回路と実装部品との接続信頼性を損なうという問題もあった。
【０００７】
また、基板上に形成される印刷回路を多層化することができれば、回路設計の自由度を増すことが可能であるが、多層化することによって、より一層、基板の歪み、反りが生じ易くなったり、印刷回路の断線が生じ易くなる等の問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、歪み、反りを抑制可能な金属ベース回路基板を提供することを目的とする。かかる目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として、以下の構成を備える。
【０００９】
すなわち、本発明に係る金属ベース回路基板は、金属材料からなる基板に絶縁層を介して第１導体層を配設し、前記第１導体層の上にさらに絶縁層を介して第２導体層を配設してなる金属ベース回路基板であって、前記第１導体層と前記第２導体層との間の絶縁層は、第１中間絶縁層と第２中間絶縁層とからなり、前記第１中間絶縁層の熱膨張係数は前記第２中間絶縁層の熱膨張係数よりも大きく、前記第１中間絶縁層を前記第２中間絶縁層で挟んだ構造を有することを特徴とする。
【００１０】
例えば、前記第１導体層及び前記第２導体層と、前記第１中間絶縁層とが直接接触しないことを特徴とする。また、例えば、前記第１導体層と前記第２導体層との間の絶縁層は、前記第１中間絶縁層が前記第２中間絶縁層によって完全に包み込まれた構造を有することを特徴とする。
【００１１】
例えば、前記第１中間絶縁層及び前記第２中間絶縁層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数よりも小さく、前記第１導体層及び前記第２導体層の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
さらに、例えば、前記基板と前記第１導体層との間の絶縁層は、前記基板表面に第１絶縁層が形成され、該第１絶縁層の上部に、該第１絶縁層よりも熱膨張係数の小さな第２絶縁層が形成され、該第２絶縁層の上に前記第１導体層を有する構造であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る金属ベース回路基板は、金属材料で形成された基板上に熱膨張係数の異なる絶縁層を積層してなる金属ベース回路基板であって、前記基板上の絶縁層は、前記基板表面に第１絶縁層が形成され、該第１絶縁層の上部に、前記第1絶縁層よりも熱膨張係数の小さな第２絶縁層が形成され、該第２絶縁層の上に導体層を有する構造であることを特徴とする。
【００１４】
例えば、前記基板の裏面に絶縁層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属板をベースとした金属ベース回路基板において、基板の歪み、反りが回路に与える影響を極力抑制することができる。また、導体の多層形成を可能とし、回路設計の自由度を向上できる放熱性の高い金属ベース回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態例に係る金属ベース回路基板の平面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ’矢視断面図である。
【図３】実施の形態例に係る金属ベース回路基板よりオーバーコート層を取り除いたときの様子を示す図である。
【図４】図１のＡ−Ａ’矢視断面図である。
【図５】図１のＹ部分を覆うオーバーコート層を除去したときの様子を示す図である。
【図６】図１のＣ−Ｃ’矢視断面図である。
【図７】本実施の形態例に係る金属ベース回路基板の熱膨張の影響を軽減する構成を説明するための図である。
【図８】本実施の形態例に係る金属ベース回路基板の製造工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態例に係る金属ベース回路基板の平面図であり、図２は、図１のＢ−Ｂ’矢視断面図、図４は、図１のＸ部分のＡ−Ａ’矢視断面図、図６は、図１のＹ部分のＣ−Ｃ’矢視断面図である。図１に示す金属ベース回路基板１００は、後述するように異なる層構造を有する配線部５１，５３を備える。配線部５１は、オーバーコート層４０ａで覆われた配線パターンと絶縁層を有する多層配線構造となり、配線部５３は、オーバーコート層４０ｂで覆われた配線パターンと絶縁層を有する単層配線構造となっている。また、図３は、図１に示す金属ベース回路基板１００より、オーバーコート層４０ａ，４０ｂを取り除いた状態を示している。なお、以下において、オーバーコート層４０ａ，４０ｂを単にオーバーコート層４０ともいう。
【００１８】
配線部５１には、図３に示すように、両端部が幅広に形成された直線状の配線パターン１１と、同じく両端部が幅広の直線状の配線パターン１２，１３と、配線パターン１１を跨いで配線パターン１２，１３を相互に接続する直線状の配線パターン１４とが配置されている。図３の符号Ｃは、配線パターン１１と配線パターン１４とが交差する個所を示している。また、配線部５３には、配線パターン１１と同様、両端部が幅広に形成された直線状の配線パターン１０が配置されている。なお、配線パターン１１は第１導体層と定義され、配線パターン１４は第２導体層として定義される。
【００１９】
図１に示すように、矩形状のオーバーコート層４０ａには、各辺それぞれの中央部分近傍に、開口部５ａ〜５ｄが形成されている。これにより、配線部５１において、上述した配線パターンの一部が開口部５ａ〜５ｄを介して外部に露出するようになっている。より具体的には、金属ベース回路基板１００を平面視したとき、配線パターン１１の一方の端部が開口部５ｄより外部に露出し、他方の端部が開口部５ｂより外部に露出するとともに、配線パターン１２，１３それぞれの一端部分が開口部５ｃ，５ａより外部に露出している。
【００２０】
配線部５３では、配線パターン１０の両端の幅広部分の間の配線部分を覆うようにオーバーコート層４０ｂが形成されている。配線パターン１０の両端部は、オーバーコート層で覆われておらず、外部に露出している。
【００２１】
金属ベース回路基板１００には、ＩＣチップ等の電子部品がベアチップ実装される。開口部５ａ〜５ｄから露出した配線パターンの端部や、配線パターン１０の両端部には、ワイヤボンディングやフリップチップ実装等によって、電子部品の端子と接続される。なお、金属ベース回路基板１００の回路構成は、本発明を説明するために簡略化して示したものであり、実装する電子部品等に応じて適宜その形態を変更することができ、本実施の形態例に限定されるものではない。
【００２２】
本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金等の金属をベース基板とする。ここで、金属板と、セラミック基板（アルミナ基板）との違いを材料の溶融温度でみると、セラミック基板の材料であるアルミナ（９６％）が１５００℃であるのに対して、アルミニウムは６５０℃と溶融温度が低い。
【００２３】
このため、回路形成時の焼結温度も、一般に、アルミナ基板を用いた回路の場合、８５０℃であるが、アルミニウム基板の場合は５８０℃である。このように、アルミニウム基板はセラミック基板に比べて低い温度で溶融する性質を有するため、その溶融温度に近い焼結温度で焼成を行う必要がある。
【００２４】
一方、基板上に形成される印刷回路（配線パターン）も、基板との熱膨張係数の違いや、印刷物同士の熱膨張係数の違いが、基板の歪み、反りの一因となる。そのため、異なる熱膨張係数を持つ導体や絶縁体、基板との接合の組合せが、基板全体としての反りや歪みに大きく関連する。このため、基板の反り・歪みを極力抑制する一方で、回路が多層となり緻密化されても各層同士の接合強度が保たれ、設計の自由度を損なわない、信頼性のある回路構成とする必要がある。
【００２５】
そこで、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板では、以下に詳述するように金属板と導体層間、あるいは導体層と導体層の層間に熱膨張係数の異なる２種類の絶縁材料を用いた３層からなる絶縁層を設ける。また、３層の絶縁層の中間層を、その中間層の上下の層と熱膨張係数が異なる絶縁層としている。
【００２６】
本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００は、図１のＢ−Ｂ’矢視断面図である図２や、図１のＡ−Ａ’矢視断面図である図４等に示すように、金属板１の上に、金属板１との絶縁性を確保するために絶縁材料Ｘからなる絶縁層２０が形成され、絶縁耐圧を強化するために、２層目の絶縁層として絶縁層２０の上に絶縁材料Ｘからなる絶縁層２１が形成されている。さらに、絶縁層２１の上には、３層目の絶縁層として絶縁材料Ｘよりも熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙからなる絶縁層３０が形成されている。
【００２７】
また、金属板１の裏面には、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２２が形成されている。ここでは、絶縁層２２を、金属板１の表面に形成した上記絶縁層２０等と同様に、金属板１の裏面に広く形成する。なお、本実施の形態例では、絶縁材料Ｘにより形成される絶縁層を総称して絶縁層Ａということがあり、また、絶縁材料Ｙにより形成される絶縁層を総称して絶縁層Ｂということがある。
【００２８】
これら絶縁層２０，２１，２２，３０の材料（絶縁材料Ｘ、または絶縁材料Ｙ）として、例えば、ガラスや、ガラスとセラミックスの複合材料からなるガラス材料を使用し、後述するオーバーコート層（保護膜）の材料としても、同じくガラスや、ガラスとセラミックスの複合材料からなるガラス材料を採用する。
【００２９】
具体的には、熱膨張係数は、金属板１の材料であるアルミニウムやアルミニウム合金が２３〜２５ｐｐｍ／℃であり、配線パターン１０〜１４としてＡｇ導体を用いた場合、Ａｇの熱膨張係数が７〜８ｐｐｍ／℃である。そのため、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００では、上述した絶縁材料Ｘとして、例えば、熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃のガラス材料を採用する。また、絶縁材料Ｙとして、例えば、熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃のガラス材料を採用する。絶縁材料Ｘや絶縁材料Ｙとして用いられるガラス材料の具体例の一つとして、Ｎａ2Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系ガラス材料がある。熱膨張係数は、一般に、このガラス材料に添加する添加剤によって調整される。上述のとおり、熱膨張係数は、金属板１が最も大きく、絶縁材料Ｘ、絶縁材料Ｙ、配線パターンの順に小さくなる。また、実装される電子部品はこれよりも小さな熱膨張係数を有するものがある。
【００３０】
本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００では、約５８０℃での焼成を可能とするために、Ａｇ・Ｐｄ合金粉、またはＡｇ粉をより微粒子化した微粒子粉を使用し、ガラスフリットとして、軟化点が５８０℃以下のガラス系の導体厚膜ペーストを用いる。また、絶縁体も、軟化点が異なるガラス及びセラミック粉を混合した絶縁ペーストを使用して、軟化点を５８０℃以下としている。なお、絶縁層や導体の材料の構成例は、上記に限定されるものではなく、絶縁層や導体が焼成できるものであれば、任意の構成とすることができる。
【００３１】
このように、金属板１に絶縁材料Ｘからなる２層の絶縁層２０，２１（第１層目及び第２層目）を形成することで、金属板１の表面に凹凸があっても、絶縁層２０，２１の表面の平滑性を確保できる。また、金属板１と配線パターンとの電気的絶縁を高めることができる。また、第３層目に、絶縁材料Ｘよりも熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙからなる絶縁層３０を形成することにより、金属板１の熱膨張による配線パターンへの影響を緩和し、金属板１の反りの影響を軽減できる。なお、絶縁層２０及び／または絶縁層２１は第１絶縁層と定義され、絶縁層３０は第２絶縁層として定義される。
【００３２】
絶縁層２０，２１，３０によって金属板１に対する絶縁性能が確保された金属ベース回路基板１００において、絶縁層３０の上に所定の導体パターン（配線パターン１０，１１，１２，１３）が形成されている。また、金属ベース回路基板１００は、図１及び図４に示すように、導体層としての配線パターン１０が、幅広の両端部を除いて、絶縁体であるオーバーコート層４０ｂによって覆われる構成を有する。
【００３３】
なお、オーバーコート層４０は、必ず必要とされるものではなく、適宜、省略したり、あるいは金属ベース回路基板上の必要な一部分のみに形成してもよい。また、オーバーコート層４０は、ガラス材料の他に、例えば、エポキシ樹脂等を適宜選択して用いることができる。さらに、導体材料として、例えば、Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇ−Ｐｔ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ等、必要性に応じて任意の金属材料を用いることができる。
【００３４】
次に、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００の配線部５１の層構造について説明する。図５は、図１に示す金属ベース回路基板１００において符号Ｙを付して点線で囲んだ部分であって、オーバーコート層４０ａを省略した状態を示す平面図である。また、図６は、符号Ｙを付して点線で囲んだ部分のＣ−Ｃ’矢視断面図である。
【００３５】
金属ベース回路基板１００の配線部５１は、図２及び図４に示す断面構成と同様、金属板１の上に、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２０を形成して、金属板１との絶縁性を確保するとともに、絶縁耐圧をさらに強化するために２層目の絶縁層として絶縁材料Ｘからなる絶縁層２１が形成されている。また、絶縁層２１の上には、３層目の絶縁層として絶縁材料Ｘよりも熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙからなる絶縁層３０が形成されている。さらに、金属板１の裏面には、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２２が形成されている。
【００３６】
図６に示すように配線部５１では、絶縁層２０，２１，３０により金属板１に対する絶縁性能を確保し、絶縁層３０の上に所定パターンの導体、すなわち、配線パターン１１，１２，１３を配置する。導体パターン１１のうち、導体パターン１２，１３の間にある部分には、図５に示すように絶縁材料Ｙからなる絶縁層３１が形成され、導体パターン１１の絶縁を確保する。また、絶縁層３１の上に、絶縁層３１を構成する絶縁材料Ｙよりも熱膨張係数の大きい絶縁材料Ｘからなる絶縁層２３が形成され、さらに、絶縁層２３の上には、絶縁材料Ｙからなる絶縁層３２が形成された構成になっている。
【００３７】
絶縁層３２の上には、導体パターン１２と導体パターン１３とを電気的に接続する上層配線パターンとしての導体パターン１４が形成され、導体パターン１４を覆うように絶縁材料Ｙからなるオーバーコート層４０（４０ａ）が形成されている。なお、絶縁層３１、絶縁層３２及び絶縁層２３は、導体パターン１１と導体パターン１４との電気的絶縁を確保するものである。また、絶縁材料Ｙからなる絶縁層３１と絶縁層３２との間に絶縁材料Ｘからなる絶縁層２３を形成している。この構造により、熱収縮によって導体パターン１４に生じる応力を緩和することができる。なお、絶縁層２３は第１中間絶縁層と定義され、絶縁層３１と絶縁層３２は第２中間絶縁層として定義される。
【００３８】
本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００では、基板の反りや歪みを抑制するとともに、回路を多層構造にした場合でも、各層同士の接合強度が保たれる。そこで、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００における熱膨張係数の影響軽減の原理について説明する。図７は、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００における熱膨張係数の影響軽減の原理を説明するための図であり、ここでは、基板の導体間の絶縁層の構図を模式化して示している。
【００３９】
熱膨張係数の異なる導体や絶縁体、基板との接合の組み合せが、基板全体としての反りや歪みに大きく関連する。図７に示すように、熱膨張係数の異なる２種の材料を交互に組み合わせて、例えば、金属板１上に熱膨張係数の大きい絶縁材料Ｘからなる層２３と、熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙからなる層３１，３２とを３層構造にすることで、互いの応力を打ち消しあって反りが緩和されるとともに、各層間の密着が確保される。
【００４０】
すなわち、図７に示すように、熱膨張係数の大きい絶縁材料Ｘを、熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙで完全に覆う構造とすることにより、金属ベース回路基板に熱が加わったとき、あるいは除熱されたときに、それぞれ図７において矢印で示すような膨張や収縮が発生しても、それぞれの力をお互いに打ち消しあうように作用する。その結果、金属板１の反り量を軽減することができる。
【００４１】
本願の発明者が行った検証では、金属の基板上で、絶縁材料Ｙ（絶縁層３１）のみを形成した箇所においては、その反り量が６２０μｍ〜６５０μｍであったが、図７に示す３層構造の絶縁層を形成した箇所では、その反り量が３９０μｍ〜４１０μｍであった。このことから、図７のような３層構造とすることにより、反り量が抑えられる結果となった。
【００４２】
このように、金属板の上に熱膨張係数の異なる２種の材料を交互に積層することによって、反り返りを緩和できる。さらに、図６等に示すように金属板１の裏側にも絶縁層２２を形成することにより、金属板１の反りを矯正する効果が得られる。
【００４３】
所定の絶縁層を、その絶縁層よりも熱膨張係数の低い絶縁層で挟み込む構造を採用することで、熱膨張の差に基づく層の剥離や断線等の問題を抑制することができる。
【００４４】
次に、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板の作成工程について説明する。図８は、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板の製造工程を示すフローチャートである。図８のステップＳ１において、金属板１の上に金属板１との絶縁性を確保するため、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２０（絶縁層Ａ）をスクリーン印刷等により形成する。続くステップＳ２で、金属板１上に形成した絶縁材料Ｘを乾燥させ、乾燥した絶縁材料Ｘを焼成する。これにより、金属板１上には、第１層目の絶縁層２０が形成される。
【００４５】
ステップＳ３では、絶縁耐圧を上げるため、ステップＳ１，Ｓ２で形成した絶縁層Ａの上に、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２１（絶縁層Ａ）をスクリーン印刷等により形成する。その後、ステップＳ４で、絶縁材料Ｘを乾燥させ、乾燥後に焼成して、２層目の絶縁層としての絶縁層２１を形成する。なお、１層目の絶縁層と２層目の絶縁層は、構成等が同様の層であるため、ステップＳ２における焼成工程を省略することができる。すなわち、ステップ２において、１層目の絶縁材料Ｘを乾燥した後、焼成をしない状態で、続くステップＳ３の工程である絶縁材料Ｘの印刷を行い、続いてステップ４の工程を行ってもよい。
【００４６】
金属板１に絶縁層を複数形成しているため、金属板１の表面に凹凸があったとしても、絶縁層の表面の平滑性を確保することができる。また、熱による膨張が大きい金属板１の表面には、絶縁材料Ｙに比べて熱膨張係数が金属板１に近い絶縁材料Ｘを用いて絶縁層２０（絶縁層Ａ）を形成しているため、絶縁層２０の上に形成される層に対する応力を緩和することができる。また、絶縁層２０と絶縁層２１のように、絶縁層を複数重ねて形成しているため、金属板１と、後に形成する配線パターンとの電気的絶縁を確保することができる。
【００４７】
金属板１の表面に２層の絶縁層Ａを形成した後、ステップＳ５において、金属板１の裏面に絶縁材料Ｘをスクリーン印刷して、絶縁層２２（絶縁層Ａ）を形成する。ここでの絶縁材料Ｘの印刷は、金属板１の表面に印刷した絶縁層２０と同様のパターンで金属板１の裏面に広く印刷する。続くステップＳ６で、上記ステップＳ５で印刷した絶縁材料Ｘを乾燥及び焼成して、金属板１の裏面に絶縁層２２（絶縁層Ａ）を形成する。
【００４８】
ステップＳ７において、上記のステップＳ３で形成した絶縁層２１の上に、絶縁材料Ｘよりも熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙを印刷して、絶縁層３０（絶縁層Ｂ）を形成する。そして、ステップＳ８で、絶縁材料Ｙを乾燥し、焼成することで、金属板１上に第３層目の絶縁層３０を形成する。絶縁材料Ｙの熱膨張係数は、絶縁材料Ｘに比べて配線パターンの熱膨張係数に近い。従って、絶縁層３０は絶縁層２１よりも熱膨張係数が小さく、配線パターンの熱膨張係数に近づくこととなる。このため、絶縁層２０，２１，３０が金属板１と配線パターンの間に介在することで、金属板１と配線パターンとの熱膨張の差を、段階的に緩和することができるので、回路の信頼性を向上させることができる。また、第１層〜第３層の絶縁層により、金属板１に対する絶縁性能を確保できる。
【００４９】
ステップＳ９において、絶縁層３０の上に配線パターンとなる導体（配線パターン１０〜１３）を、図３、図５等に示す所定のパターンとなるようにスクリーン印刷する。続いて、ステップＳ１０で、これらの導体パターンを乾燥させ、焼成する。
【００５０】
ステップＳ１１において、図５及び図６に示すように、ステップＳ９で形成した導体層（導体パターン１１）の一部、すなわち、配線パターン１２と配線パターン１３との間にある部分を覆うように矩形状に絶縁材料Ｙを印刷し、続くステップＳ１２で、ステップＳ１１で印刷した絶縁材料Ｙを乾燥し、焼成して絶縁層３１（絶縁層Ｂ）を形成する。
【００５１】
続いてステップＳ１３で、ステップＳ１１で形成した絶縁層３１の上に、絶縁材料Ｙよりも熱膨張係数の大きい絶縁材料Ｘを印刷し、ステップＳ１４の乾燥・焼成工程を経て、絶縁層２３（絶縁層Ａ）を形成する。絶縁層２３は、絶縁層３１からはみ出ないように、絶縁層３１よりも小さい面積で形成される。絶縁層２３は、その層方向の上下に形成される配線同士の電気的絶縁を図るとともに、熱収縮による応力を緩和させるためのものである。そして、ステップＳ１５で、ステップＳ１３で形成した絶縁層２３を完全に覆うように、絶縁材料Ｙからなる絶縁層３２（絶縁層Ｂ）を印刷する。そして、ステップＳ１６で、絶縁材料Ｙを乾燥させ、焼成する。
【００５２】
ステップＳ１７では、ステップＳ１５で形成した絶縁層３２の上に所定の導体パターン（配線パターン１４）を印刷する。続くステップＳ１８で、導体パターンを乾燥させ、焼成することで上層配線パターン１４を形成する。配線パターン１４と配線パターン１１とが交差する部分（図３において符号Ｃで示す）は、配線パターン１４と配線パターン１１との間に絶縁層３１と絶縁層２３と絶縁層３２が介在している。その後、ステップＳ１９において、上層配線パターン１４を覆うように、絶縁材料Ｙからなる絶縁層（オーバーコート層）を印刷し、ステップＳ２０で乾燥、焼成して、オーバーコート層４０を形成する。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱による膨張係数の大きい金属板上に、熱膨張係数の比較的大きな絶縁層Ａを２層にわたって形成し、その絶縁層Ａの上に熱膨張係数の小さな絶縁層Ｂを形成し、その絶縁層Ｂの上に導体を配設することで、金属板の熱膨張の影響が絶縁層Ａで緩和されるとともに、導体を熱膨張係数の小さな絶縁層Ｂの上に配設したことで、熱膨張係数を段階的に下げることができる。その結果、金属板であっても基板上の配設される導体への影響を良好に軽減でき、基板の反りや歪み、導体の剥がれ等を効果的に抑えることが可能となる。
【００５４】
すなわち、上記の層構成により、基板−絶縁層Ａ−絶縁層Ｂ−導体というように、導体に対して段階的に熱膨張係数を下げる配置とすることができ、基板の反りによる影響を緩和できる。また、導体と導体とが交差する部分においては、基板−絶縁層Ａ−絶縁層Ｂ−導体−絶縁層Ｂ−絶縁層Ａ−絶縁層Ｂ−導体というように、導体に接する絶縁層が、絶縁層Ａに比べて熱膨張係数が導体に近い絶縁層Ｂであることから、多層化した場合でも、金属板の熱による挙動の影響が緩和される。
【００５５】
また、熱による膨張係数の大きい金属板に多層のパターンを形成しても、絶縁層を、熱膨張係数がこれより小さい絶縁層で挟み込む構造とすることにより、絶縁層Ａの収縮あるいは膨張する応力を、絶縁層Ａとは異なる収縮あるいは膨張の応力をもつ絶縁層Ｂが上下左右で受け止めて打ち消し合う緩和作用が働く。その結果、金属板全体の熱膨張や熱収縮の影響を良好に軽減できる。
【００５６】
さらに、上記のような絶縁層の配置とすることにより、絶縁層の上にさらに導体を積層形成しても、金属板の熱膨張や熱収縮が導体へ与える影響を緩和することができる。そのため、反りや歪みを極力抑制する一方で、上下層の接合強度が保たれ、回路設計の自由度を損なわず、信頼性のある回路構成とすることができる。上下層の接合強度が保たれるのは、絶縁材料Ｙが絶縁材料Ｘを包み込むように上下層に積層状に形成されているため、絶縁材料Ｘの周辺部では同じ絶縁材料Ｙ同士の接合面となり、接合部が同じ材料であることから、接合界面の強度が、異なる材料による接合強度よりも高い接合を得ることができるからである。また、絶縁材料Ｘは、絶縁材料Ｙと比べて、導体とは熱膨張率が大きく異なる材料であるため、絶縁材料Ｘと導体とが直接接触することがない構造にしている。
【００５７】
また、金属板の裏面に絶縁材料Ｘからなる絶縁層を形成した後に多層の絶縁層及び導体層を形成することにより、金属板の表面に絶縁層や導体層を形成することによる基板に生じる反りを矯正することができる。
【００５８】
本発明は、上述した実施の形態例に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記の実施の形態例において、絶縁材料としてＸとＹの２種類を用いたが、これに限らず、熱膨張係数の異なる３種類以上の絶縁材料を組み合わせてもよい。また、例えば、第１中間絶縁層（絶縁層２３）を、層方向の上下から第２中間絶縁層（絶縁層３１，３２）で挟む構造において、第１中間絶縁層の下に形成される絶縁層３１と、第１中間絶縁層の上に形成される絶縁層３２とが、異なる熱膨張係数を有するようにしてもよい。ただし、第２中間絶縁層は、第１中間絶縁層よりも小さい熱膨張係数を有する。
【００５９】
また、図８に示す金属ベース回路基板の作成工程において、ステップＳ４の焼成工程を省略し、ステップＳ６の焼成工程で基板の表裏両面の絶縁材料Ｘを同時に焼成してもよい。あるいは、ステップＳ１，Ｓ２における基板表面の１層目の絶縁層Ａの形成後に、基板裏面の絶縁層Ａを形成し、その後に基板表面の２層目の絶縁層Ａを形成してもよい。
【００６０】
さらに、ステップＳ５，Ｓ６における基板裏面への絶縁層Ａの形成を、基板表面の２層目の絶縁層Ａの形成後に行うのではなく、２層目の絶縁材料Ｘの印刷と同時に裏面に絶縁材料Ｘを印刷し、その後に基板両面の乾燥及び焼成を行ってもよい。あるいは、基板表面の１層目の絶縁材料Ｘの印刷時に裏面の絶縁材料Ｘの印刷も行い、その後、同時に乾燥及び焼成を行い、その後に表面の２層目の絶縁層Ａを形成するようにしてもよい。
【００６１】
また、上述したステップＳ１４の絶縁材料Ｘの焼成処理を省略し、ステップＳ１６における焼成工程で絶縁材料Ｙと共に絶縁材料Ｘを同時に焼成してもよい。このようにすることによって、絶縁材料Ｘは絶縁材料Ｙに包含された状態で焼成されるので、熱による収縮膨張が回避でき、より応力を打ち消す方向で緩和させることができ、望ましい結果を得ることができる。
【００６２】
上述した実施の形態例に係る金属ベース回路基板では、基板の裏面に絶縁層Ａを１層のみ形成しているが、これに限定されるものではなく、基板裏面に絶縁層Ａをさらにもう１層形成し、基板の反り防止効果を高めてもよい。さらには、基板裏面の２層目の絶縁層Ａの表面に、さらに熱膨張係数の小さな絶縁層Ｂを形成した構造としてもよい。これにより、さらに焼成時の基板の反りを矯正あるいは防止することができる。
【００６３】
基板の裏面の絶縁層が上記の何れの場合であっても、回路を形成し、焼成終了後に裏面の絶縁層の一部または全部を除去してもよい。基板の裏面の絶縁層は、基板作成時の反りの発生を矯正する目的で形成されるが、金属ベース回路基板の完成後は、基板の裏面をヒートシンク等に接続固定することがある。この場合、基板の裏面の絶縁層を除去しておくことで放熱性が向上する等の効果がある。勿論、基板の裏面において絶縁が必要な場合は、裏面の絶縁層を残しておけばよい。
【００６４】
一方、上述した実施の形態例に係る金属ベース回路基板において、基板の裏面に絶縁層を形成しない構造にしてもよい。基板の裏面に絶縁層を形成しない場合は、絶縁層を形成する場合に比べて、基板の反りが生じることがあるが、許容される反りの程度に応じて、基板裏面の絶縁層を形成するか、あるいは形成しないか、適宜変更が可能である。また、表面側に形成する回路によって反りの発生が異なるため、そのような反りの発生に応じて、基板裏面に絶縁層を形成するか形成しないかを適宜変更できる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 金属板
５ａ〜５ｄ 開口部
１０〜１４ 配線パターン
２０〜２３，３０〜３２ 絶縁層
４０，４０ａ，４０ｂ オーバーコート層
５１，５３ 配線部
１００ 金属ベース回路基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ベース回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりセラミックをベースとした基板上に回路を形成し、電子部品を実装した配線基板が用いられている。このセラミック基板は、用途によっては放熱性が十分とは言えない場合があっため、より放熱性の高い多層配線基板を提供すべく、セラミック基板に替えて、アルミニウム等の金属板をベースとした配線基板が用いられている。
【０００３】
しかしながら、金属板を用いると、金属特性ゆえに放熱性が高い反面、基板上に形成される絶縁層や印刷回路に比べて熱によって膨張または収縮し易く、製造工程における焼成等の加熱によって発生する歪み・反りが問題となっていた。
【０００４】
金属をベースとした配線基板に関する従来技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１は、金属ベースと導電層間の絶縁体に改良を施すことにより、放熱性を低下させることなく、絶縁性を確保し、かつ、金属ベースの反り、ねじれを抑制し得る金属ベース回路基板を提供するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３２７１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の金属ベース回路基板では、ベース基板と、そのベース基板上に形成される印刷回路や絶縁層は、それぞれ熱膨張係数が相違することから、金属板の反りを完全に除去することはできなかった。また、ヒートサイクルによって生じる印刷回路と金属板の応力によって、印刷回路と実装部品との接続信頼性を損なうという問題もあった。
【０００７】
また、基板上に形成される印刷回路を多層化することができれば、回路設計の自由度を増すことが可能であるが、多層化することによって、より一層、基板の歪み、反りが生じ易くなったり、印刷回路の断線が生じ易くなる等の問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、歪み、反りを抑制可能な金属ベース回路基板を提供することを目的とする。かかる目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として、以下の構成を備える。
【０００９】
すなわち、本発明に係る金属ベース回路基板は、金属材料からなる基板に絶縁層を介して第１導体層を配設し、前記第１導体層の上にさらに絶縁層を介して第２導体層を配設してなる金属ベース回路基板であって、前記第１導体層と前記第２導体層との間の絶縁層は、第１中間絶縁層と第２中間絶縁層とからなり、前記第１中間絶縁層の熱膨張係数は前記第２中間絶縁層の熱膨張係数よりも大きく、前記第１中間絶縁層を前記第２中間絶縁層で挟んだ構造を有することを特徴とする。
【００１０】
例えば、前記第１導体層及び前記第２導体層と、前記第１中間絶縁層とが直接接触しないことを特徴とする。また、例えば、前記第１導体層と前記第２導体層との間の絶縁層は、前記第１中間絶縁層が前記第２中間絶縁層によって完全に包み込まれた構造を有することを特徴とする。
【００１１】
例えば、前記第１中間絶縁層及び前記第２中間絶縁層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数よりも小さく、前記第１導体層及び前記第２導体層の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
さらに、例えば、前記基板と前記第１導体層との間の絶縁層は、前記基板表面に第１絶縁層が形成され、該第１絶縁層の上部に、該第１絶縁層よりも熱膨張係数の小さな第２絶縁層が形成され、該第２絶縁層の上に前記第１導体層を有する構造であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る金属ベース回路基板は、金属材料で形成された基板上に熱膨張係数の異なる絶縁層を積層してなる金属ベース回路基板であって、前記基板上の絶縁層は、前記基板表面に第１絶縁層が形成され、該第１絶縁層の上部に、前記第1絶縁層よりも熱膨張係数の小さな第２絶縁層が形成され、該第２絶縁層の上に導体層を有する構造であることを特徴とする。
【００１４】
例えば、前記基板の裏面に絶縁層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属板をベースとした金属ベース回路基板において、基板の歪み、反りが回路に与える影響を極力抑制することができる。また、導体の多層形成を可能とし、回路設計の自由度を向上できる放熱性の高い金属ベース回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態例に係る金属ベース回路基板の平面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ’矢視断面図である。
【図３】実施の形態例に係る金属ベース回路基板よりオーバーコート層を取り除いたときの様子を示す図である。
【図４】図１のＡ−Ａ’矢視断面図である。
【図５】図１のＹ部分を覆うオーバーコート層を除去したときの様子を示す図である。
【図６】図１のＣ−Ｃ’矢視断面図である。
【図７】本実施の形態例に係る金属ベース回路基板の熱膨張の影響を軽減する構成を説明するための図である。
【図８】本実施の形態例に係る金属ベース回路基板の製造工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態例に係る金属ベース回路基板の平面図であり、図２は、図１のＢ−Ｂ’矢視断面図、図４は、図１のＸ部分のＡ−Ａ’矢視断面図、図６は、図１のＹ部分のＣ−Ｃ’矢視断面図である。図１に示す金属ベース回路基板１００は、後述するように異なる層構造を有する配線部５１，５３を備える。配線部５１は、オーバーコート層４０ａで覆われた配線パターンと絶縁層を有する多層配線構造となり、配線部５３は、オーバーコート層４０ｂで覆われた配線パターンと絶縁層を有する単層配線構造となっている。また、図３は、図１に示す金属ベース回路基板１００より、オーバーコート層４０ａ，４０ｂを取り除いた状態を示している。なお、以下において、オーバーコート層４０ａ，４０ｂを単にオーバーコート層４０ともいう。
【００１８】
配線部５１には、図３に示すように、両端部が幅広に形成された直線状の配線パターン１１と、同じく両端部が幅広の直線状の配線パターン１２，１３と、配線パターン１１を跨いで配線パターン１２，１３を相互に接続する直線状の配線パターン１４とが配置されている。図３の符号Ｃは、配線パターン１１と配線パターン１４とが交差する個所を示している。また、配線部５３には、配線パターン１１と同様、両端部が幅広に形成された直線状の配線パターン１０が配置されている。なお、配線パターン１１は第１導体層と定義され、配線パターン１４は第２導体層として定義される。
【００１９】
図１に示すように、矩形状のオーバーコート層４０ａには、各辺それぞれの中央部分近傍に、開口部５ａ〜５ｄが形成されている。これにより、配線部５１において、上述した配線パターンの一部が開口部５ａ〜５ｄを介して外部に露出するようになっている。より具体的には、金属ベース回路基板１００を平面視したとき、配線パターン１１の一方の端部が開口部５ｄより外部に露出し、他方の端部が開口部５ｂより外部に露出するとともに、配線パターン１２，１３それぞれの一端部分が開口部５ｃ，５ａより外部に露出している。
【００２０】
配線部５３では、配線パターン１０の両端の幅広部分の間の配線部分を覆うようにオーバーコート層４０ｂが形成されている。配線パターン１０の両端部は、オーバーコート層で覆われておらず、外部に露出している。
【００２１】
金属ベース回路基板１００には、ＩＣチップ等の電子部品がベアチップ実装される。開口部５ａ〜５ｄから露出した配線パターンの端部や、配線パターン１０の両端部には、ワイヤボンディングやフリップチップ実装等によって、電子部品の端子と接続される。なお、金属ベース回路基板１００の回路構成は、本発明を説明するために簡略化して示したものであり、実装する電子部品等に応じて適宜その形態を変更することができ、本実施の形態例に限定されるものではない。
【００２２】
本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金等の金属をベース基板とする。ここで、金属板と、セラミック基板（アルミナ基板）との違いを材料の溶融温度でみると、セラミック基板の材料であるアルミナ（９６％）が１５００℃であるのに対して、アルミニウムは６５０℃と溶融温度が低い。
【００２３】
このため、回路形成時の焼結温度も、一般に、アルミナ基板を用いた回路の場合、８５０℃であるが、アルミニウム基板の場合は５８０℃である。このように、アルミニウム基板はセラミック基板に比べて低い温度で溶融する性質を有するため、その溶融温度に近い焼結温度で焼成を行う必要がある。
【００２４】
一方、基板上に形成される印刷回路（配線パターン）も、基板との熱膨張係数の違いや、印刷物同士の熱膨張係数の違いが、基板の歪み、反りの一因となる。そのため、異なる熱膨張係数を持つ導体や絶縁体、基板との接合の組合せが、基板全体としての反りや歪みに大きく関連する。このため、基板の反り・歪みを極力抑制する一方で、回路が多層となり緻密化されても各層同士の接合強度が保たれ、設計の自由度を損なわない、信頼性のある回路構成とする必要がある。
【００２５】
そこで、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板では、以下に詳述するように金属板と導体層間、あるいは導体層と導体層の層間に熱膨張係数の異なる２種類の絶縁材料を用いた３層からなる絶縁層を設ける。また、３層の絶縁層の中間層を、その中間層の上下の層と熱膨張係数が異なる絶縁層としている。
【００２６】
本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００は、図１のＢ−Ｂ’矢視断面図である図２や、図１のＡ−Ａ’矢視断面図である図４等に示すように、金属板１の上に、金属板１との絶縁性を確保するために絶縁材料Ｘからなる絶縁層２０が形成され、絶縁耐圧を強化するために、２層目の絶縁層として絶縁層２０の上に絶縁材料Ｘからなる絶縁層２１が形成されている。さらに、絶縁層２１の上には、３層目の絶縁層として絶縁材料Ｘよりも熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙからなる絶縁層３０が形成されている。
【００２７】
また、金属板１の裏面には、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２２が形成されている。ここでは、絶縁層２２を、金属板１の表面に形成した上記絶縁層２０等と同様に、金属板１の裏面に広く形成する。なお、本実施の形態例では、絶縁材料Ｘにより形成される絶縁層を総称して絶縁層Ａということがあり、また、絶縁材料Ｙにより形成される絶縁層を総称して絶縁層Ｂということがある。
【００２８】
これら絶縁層２０，２１，２２，３０の材料（絶縁材料Ｘ、または絶縁材料Ｙ）として、例えば、ガラスや、ガラスとセラミックスの複合材料からなるガラス材料を使用し、後述するオーバーコート層（保護膜）の材料としても、同じくガラスや、ガラスとセラミックスの複合材料からなるガラス材料を採用する。
【００２９】
具体的には、熱膨張係数は、金属板１の材料であるアルミニウムやアルミニウム合金が２３〜２５ｐｐｍ／℃であり、配線パターン１０〜１４としてＡｇ導体を用いた場合、Ａｇの熱膨張係数が７〜８ｐｐｍ／℃である。そのため、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００では、上述した絶縁材料Ｘとして、例えば、熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃のガラス材料を採用する。また、絶縁材料Ｙとして、例えば、熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃のガラス材料を採用する。絶縁材料Ｘや絶縁材料Ｙとして用いられるガラス材料の具体例の一つとして、Ｎａ2Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系ガラス材料がある。熱膨張係数は、一般に、このガラス材料に添加する添加剤によって調整される。上述のとおり、熱膨張係数は、金属板１が最も大きく、絶縁材料Ｘ、絶縁材料Ｙ、配線パターンの順に小さくなる。また、実装される電子部品はこれよりも小さな熱膨張係数を有するものがある。
【００３０】
本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００では、約５８０℃での焼成を可能とするために、Ａｇ・Ｐｄ合金粉、またはＡｇ粉をより微粒子化した微粒子粉を使用し、ガラスフリットとして、軟化点が５８０℃以下のガラス系の導体厚膜ペーストを用いる。また、絶縁体も、軟化点が異なるガラス及びセラミック粉を混合した絶縁ペーストを使用して、軟化点を５８０℃以下としている。なお、絶縁層や導体の材料の構成例は、上記に限定されるものではなく、絶縁層や導体が焼成できるものであれば、任意の構成とすることができる。
【００３１】
このように、金属板１に絶縁材料Ｘからなる２層の絶縁層２０，２１（第１層目及び第２層目）を形成することで、金属板１の表面に凹凸があっても、絶縁層２０，２１の表面の平滑性を確保できる。また、金属板１と配線パターンとの電気的絶縁を高めることができる。また、第３層目に、絶縁材料Ｘよりも熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙからなる絶縁層３０を形成することにより、金属板１の熱膨張による配線パターンへの影響を緩和し、金属板１の反りの影響を軽減できる。なお、絶縁層２０及び／または絶縁層２１は第１絶縁層と定義され、絶縁層３０は第２絶縁層として定義される。
【００３２】
絶縁層２０，２１，３０によって金属板１に対する絶縁性能が確保された金属ベース回路基板１００において、絶縁層３０の上に所定の導体パターン（配線パターン１０，１１，１２，１３）が形成されている。また、金属ベース回路基板１００は、図１及び図４に示すように、導体層としての配線パターン１０が、幅広の両端部を除いて、絶縁体であるオーバーコート層４０ｂによって覆われる構成を有する。
【００３３】
なお、オーバーコート層４０は、必ず必要とされるものではなく、適宜、省略したり、あるいは金属ベース回路基板上の必要な一部分のみに形成してもよい。また、オーバーコート層４０は、ガラス材料の他に、例えば、エポキシ樹脂等を適宜選択して用いることができる。さらに、導体材料として、例えば、Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇ−Ｐｔ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ等、必要性に応じて任意の金属材料を用いることができる。
【００３４】
次に、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００の配線部５１の層構造について説明する。図５は、図１に示す金属ベース回路基板１００において符号Ｙを付して点線で囲んだ部分であって、オーバーコート層４０ａを省略した状態を示す平面図である。また、図６は、符号Ｙを付して点線で囲んだ部分のＣ−Ｃ’矢視断面図である。
【００３５】
金属ベース回路基板１００の配線部５１は、図２及び図４に示す断面構成と同様、金属板１の上に、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２０を形成して、金属板１との絶縁性を確保するとともに、絶縁耐圧をさらに強化するために２層目の絶縁層として絶縁材料Ｘからなる絶縁層２１が形成されている。また、絶縁層２１の上には、３層目の絶縁層として絶縁材料Ｘよりも熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙからなる絶縁層３０が形成されている。さらに、金属板１の裏面には、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２２が形成されている。
【００３６】
図６に示すように配線部５１では、絶縁層２０，２１，３０により金属板１に対する絶縁性能を確保し、絶縁層３０の上に所定パターンの導体、すなわち、配線パターン１１，１２，１３を配置する。導体パターン１１のうち、導体パターン１２，１３の間にある部分には、図５に示すように絶縁材料Ｙからなる絶縁層３１が形成され、導体パターン１１の絶縁を確保する。また、絶縁層３１の上に、絶縁層３１を構成する絶縁材料Ｙよりも熱膨張係数の大きい絶縁材料Ｘからなる絶縁層２３が形成され、さらに、絶縁層２３の上には、絶縁材料Ｙからなる絶縁層３２が形成された構成になっている。
【００３７】
絶縁層３２の上には、導体パターン１２と導体パターン１３とを電気的に接続する上層配線パターンとしての導体パターン１４が形成され、導体パターン１４を覆うように絶縁材料Ｙからなるオーバーコート層４０（４０ａ）が形成されている。なお、絶縁層３１、絶縁層３２及び絶縁層２３は、導体パターン１１と導体パターン１４との電気的絶縁を確保するものである。また、絶縁材料Ｙからなる絶縁層３１と絶縁層３２との間に絶縁材料Ｘからなる絶縁層２３を形成している。この構造により、熱収縮によって導体パターン１４に生じる応力を緩和することができる。なお、絶縁層２３は第１中間絶縁層と定義され、絶縁層３１と絶縁層３２は第２中間絶縁層として定義される。
【００３８】
本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００では、基板の反りや歪みを抑制するとともに、回路を多層構造にした場合でも、各層同士の接合強度が保たれる。そこで、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００における熱膨張係数の影響軽減の原理について説明する。図７は、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板１００における熱膨張係数の影響軽減の原理を説明するための図であり、ここでは、基板の導体間の絶縁層の構図を模式化して示している。
【００３９】
熱膨張係数の異なる導体や絶縁体、基板との接合の組み合せが、基板全体としての反りや歪みに大きく関連する。図７に示すように、熱膨張係数の異なる２種の材料を交互に組み合わせて、例えば、金属板１上に熱膨張係数の大きい絶縁材料Ｘからなる層２３と、熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙからなる層３１，３２とを３層構造にすることで、互いの応力を打ち消しあって反りが緩和されるとともに、各層間の密着が確保される。
【００４０】
すなわち、図７に示すように、熱膨張係数の大きい絶縁材料Ｘを、熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙで完全に覆う構造とすることにより、金属ベース回路基板に熱が加わったとき、あるいは除熱されたときに、それぞれ図７において矢印で示すような膨張や収縮が発生しても、それぞれの力をお互いに打ち消しあうように作用する。その結果、金属板１の反り量を軽減することができる。
【００４１】
本願の発明者が行った検証では、金属の基板上で、絶縁材料Ｙ（絶縁層３１）のみを形成した箇所においては、その反り量が６２０μｍ〜６５０μｍであったが、図７に示す３層構造の絶縁層を形成した箇所では、その反り量が３９０μｍ〜４１０μｍであった。このことから、図７のような３層構造とすることにより、反り量が抑えられる結果となった。
【００４２】
このように、金属板の上に熱膨張係数の異なる２種の材料を交互に積層することによって、反り返りを緩和できる。さらに、図６等に示すように金属板１の裏側にも絶縁層２２を形成することにより、金属板１の反りを矯正する効果が得られる。
【００４３】
所定の絶縁層を、その絶縁層よりも熱膨張係数の低い絶縁層で挟み込む構造を採用することで、熱膨張の差に基づく層の剥離や断線等の問題を抑制することができる。
【００４４】
次に、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板の作成工程について説明する。図８は、本実施の形態例に係る金属ベース回路基板の製造工程を示すフローチャートである。図８のステップＳ１において、金属板１の上に金属板１との絶縁性を確保するため、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２０（絶縁層Ａ）をスクリーン印刷等により形成する。続くステップＳ２で、金属板１上に形成した絶縁材料Ｘを乾燥させ、乾燥した絶縁材料Ｘを焼成する。これにより、金属板１上には、第１層目の絶縁層２０が形成される。
【００４５】
ステップＳ３では、絶縁耐圧を上げるため、ステップＳ１，Ｓ２で形成した絶縁層Ａの上に、絶縁材料Ｘからなる絶縁層２１（絶縁層Ａ）をスクリーン印刷等により形成する。その後、ステップＳ４で、絶縁材料Ｘを乾燥させ、乾燥後に焼成して、２層目の絶縁層としての絶縁層２１を形成する。なお、１層目の絶縁層と２層目の絶縁層は、構成等が同様の層であるため、ステップＳ２における焼成工程を省略することができる。すなわち、ステップ２において、１層目の絶縁材料Ｘを乾燥した後、焼成をしない状態で、続くステップＳ３の工程である絶縁材料Ｘの印刷を行い、続いてステップ４の工程を行ってもよい。
【００４６】
金属板１に絶縁層を複数形成しているため、金属板１の表面に凹凸があったとしても、絶縁層の表面の平滑性を確保することができる。また、熱による膨張が大きい金属板１の表面には、絶縁材料Ｙに比べて熱膨張係数が金属板１に近い絶縁材料Ｘを用いて絶縁層２０（絶縁層Ａ）を形成しているため、絶縁層２０の上に形成される層に対する応力を緩和することができる。また、絶縁層２０と絶縁層２１のように、絶縁層を複数重ねて形成しているため、金属板１と、後に形成する配線パターンとの電気的絶縁を確保することができる。
【００４７】
金属板１の表面に２層の絶縁層Ａを形成した後、ステップＳ５において、金属板１の裏面に絶縁材料Ｘをスクリーン印刷して、絶縁層２２（絶縁層Ａ）を形成する。ここでの絶縁材料Ｘの印刷は、金属板１の表面に印刷した絶縁層２０と同様のパターンで金属板１の裏面に広く印刷する。続くステップＳ６で、上記ステップＳ５で印刷した絶縁材料Ｘを乾燥及び焼成して、金属板１の裏面に絶縁層２２（絶縁層Ａ）を形成する。
【００４８】
ステップＳ７において、上記のステップＳ３で形成した絶縁層２１の上に、絶縁材料Ｘよりも熱膨張係数の小さい絶縁材料Ｙを印刷して、絶縁層３０（絶縁層Ｂ）を形成する。そして、ステップＳ８で、絶縁材料Ｙを乾燥し、焼成することで、金属板１上に第３層目の絶縁層３０を形成する。絶縁材料Ｙの熱膨張係数は、絶縁材料Ｘに比べて配線パターンの熱膨張係数に近い。従って、絶縁層３０は絶縁層２１よりも熱膨張係数が小さく、配線パターンの熱膨張係数に近づくこととなる。このため、絶縁層２０，２１，３０が金属板１と配線パターンの間に介在することで、金属板１と配線パターンとの熱膨張の差を、段階的に緩和することができるので、回路の信頼性を向上させることができる。また、第１層〜第３層の絶縁層により、金属板１に対する絶縁性能を確保できる。
【００４９】
ステップＳ９において、絶縁層３０の上に配線パターンとなる導体（配線パターン１０〜１３）を、図３、図５等に示す所定のパターンとなるようにスクリーン印刷する。続いて、ステップＳ１０で、これらの導体パターンを乾燥させ、焼成する。
【００５０】
ステップＳ１１において、図５及び図６に示すように、ステップＳ９で形成した導体層（導体パターン１１）の一部、すなわち、配線パターン１２と配線パターン１３との間にある部分を覆うように矩形状に絶縁材料Ｙを印刷し、続くステップＳ１２で、ステップＳ１１で印刷した絶縁材料Ｙを乾燥し、焼成して絶縁層３１（絶縁層Ｂ）を形成する。
【００５１】
続いてステップＳ１３で、ステップＳ１１で形成した絶縁層３１の上に、絶縁材料Ｙよりも熱膨張係数の大きい絶縁材料Ｘを印刷し、ステップＳ１４の乾燥・焼成工程を経て、絶縁層２３（絶縁層Ａ）を形成する。絶縁層２３は、絶縁層３１からはみ出ないように、絶縁層３１よりも小さい面積で形成される。絶縁層２３は、その層方向の上下に形成される配線同士の電気的絶縁を図るとともに、熱収縮による応力を緩和させるためのものである。そして、ステップＳ１５で、ステップＳ１３で形成した絶縁層２３を完全に覆うように、絶縁材料Ｙからなる絶縁層３２（絶縁層Ｂ）を印刷する。そして、ステップＳ１６で、絶縁材料Ｙを乾燥させ、焼成する。
【００５２】
ステップＳ１７では、ステップＳ１５で形成した絶縁層３２の上に所定の導体パターン（配線パターン１４）を印刷する。続くステップＳ１８で、導体パターンを乾燥させ、焼成することで上層配線パターン１４を形成する。配線パターン１４と配線パターン１１とが交差する部分（図３において符号Ｃで示す）は、配線パターン１４と配線パターン１１との間に絶縁層３１と絶縁層２３と絶縁層３２が介在している。その後、ステップＳ１９において、上層配線パターン１４を覆うように、絶縁材料Ｙからなる絶縁層（オーバーコート層）を印刷し、ステップＳ２０で乾燥、焼成して、オーバーコート層４０を形成する。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱による膨張係数の大きい金属板上に、熱膨張係数の比較的大きな絶縁層Ａを２層にわたって形成し、その絶縁層Ａの上に熱膨張係数の小さな絶縁層Ｂを形成し、その絶縁層Ｂの上に導体を配設することで、金属板の熱膨張の影響が絶縁層Ａで緩和されるとともに、導体を熱膨張係数の小さな絶縁層Ｂの上に配設したことで、熱膨張係数を段階的に下げることができる。その結果、金属板であっても基板上の配設される導体への影響を良好に軽減でき、基板の反りや歪み、導体の剥がれ等を効果的に抑えることが可能となる。
【００５４】
すなわち、上記の層構成により、基板−絶縁層Ａ−絶縁層Ｂ−導体というように、導体に対して段階的に熱膨張係数を下げる配置とすることができ、基板の反りによる影響を緩和できる。また、導体と導体とが交差する部分においては、基板−絶縁層Ａ−絶縁層Ｂ−導体−絶縁層Ｂ−絶縁層Ａ−絶縁層Ｂ−導体というように、導体に接する絶縁層が、絶縁層Ａに比べて熱膨張係数が導体に近い絶縁層Ｂであることから、多層化した場合でも、金属板の熱による挙動の影響が緩和される。
【００５５】
また、熱による膨張係数の大きい金属板に多層のパターンを形成しても、絶縁層を、熱膨張係数がこれより小さい絶縁層で挟み込む構造とすることにより、絶縁層Ａの収縮あるいは膨張する応力を、絶縁層Ａとは異なる収縮あるいは膨張の応力をもつ絶縁層Ｂが上下左右で受け止めて打ち消し合う緩和作用が働く。その結果、金属板全体の熱膨張や熱収縮の影響を良好に軽減できる。
【００５６】
さらに、上記のような絶縁層の配置とすることにより、絶縁層の上にさらに導体を積層形成しても、金属板の熱膨張や熱収縮が導体へ与える影響を緩和することができる。そのため、反りや歪みを極力抑制する一方で、上下層の接合強度が保たれ、回路設計の自由度を損なわず、信頼性のある回路構成とすることができる。上下層の接合強度が保たれるのは、絶縁材料Ｙが絶縁材料Ｘを包み込むように上下層に積層状に形成されているため、絶縁材料Ｘの周辺部では同じ絶縁材料Ｙ同士の接合面となり、接合部が同じ材料であることから、接合界面の強度が、異なる材料による接合強度よりも高い接合を得ることができるからである。また、絶縁材料Ｘは、絶縁材料Ｙと比べて、導体とは熱膨張率が大きく異なる材料であるため、絶縁材料Ｘと導体とが直接接触することがない構造にしている。
【００５７】
また、金属板の裏面に絶縁材料Ｘからなる絶縁層を形成した後に多層の絶縁層及び導体層を形成することにより、金属板の表面に絶縁層や導体層を形成することによる基板に生じる反りを矯正することができる。
【００５８】
本発明は、上述した実施の形態例に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記の実施の形態例において、絶縁材料としてＸとＹの２種類を用いたが、これに限らず、熱膨張係数の異なる３種類以上の絶縁材料を組み合わせてもよい。また、例えば、第１中間絶縁層（絶縁層２３）を、層方向の上下から第２中間絶縁層（絶縁層３１，３２）で挟む構造において、第１中間絶縁層の下に形成される絶縁層３１と、第１中間絶縁層の上に形成される絶縁層３２とが、異なる熱膨張係数を有するようにしてもよい。ただし、第２中間絶縁層は、第１中間絶縁層よりも小さい熱膨張係数を有する。
【００５９】
また、図８に示す金属ベース回路基板の作成工程において、ステップＳ４の焼成工程を省略し、ステップＳ６の焼成工程で基板の表裏両面の絶縁材料Ｘを同時に焼成してもよい。あるいは、ステップＳ１，Ｓ２における基板表面の１層目の絶縁層Ａの形成後に、基板裏面の絶縁層Ａを形成し、その後に基板表面の２層目の絶縁層Ａを形成してもよい。
【００６０】
さらに、ステップＳ５，Ｓ６における基板裏面への絶縁層Ａの形成を、基板表面の２層目の絶縁層Ａの形成後に行うのではなく、２層目の絶縁材料Ｘの印刷と同時に裏面に絶縁材料Ｘを印刷し、その後に基板両面の乾燥及び焼成を行ってもよい。あるいは、基板表面の１層目の絶縁材料Ｘの印刷時に裏面の絶縁材料Ｘの印刷も行い、その後、同時に乾燥及び焼成を行い、その後に表面の２層目の絶縁層Ａを形成するようにしてもよい。
【００６１】
また、上述したステップＳ１４の絶縁材料Ｘの焼成処理を省略し、ステップＳ１６における焼成工程で絶縁材料Ｙと共に絶縁材料Ｘを同時に焼成してもよい。このようにすることによって、絶縁材料Ｘは絶縁材料Ｙに包含された状態で焼成されるので、熱による収縮膨張が回避でき、より応力を打ち消す方向で緩和させることができ、望ましい結果を得ることができる。
【００６２】
上述した実施の形態例に係る金属ベース回路基板では、基板の裏面に絶縁層Ａを１層のみ形成しているが、これに限定されるものではなく、基板裏面に絶縁層Ａをさらにもう１層形成し、基板の反り防止効果を高めてもよい。さらには、基板裏面の２層目の絶縁層Ａの表面に、さらに熱膨張係数の小さな絶縁層Ｂを形成した構造としてもよい。これにより、さらに焼成時の基板の反りを矯正あるいは防止することができる。
【００６３】
基板の裏面の絶縁層が上記の何れの場合であっても、回路を形成し、焼成終了後に裏面の絶縁層の一部または全部を除去してもよい。基板の裏面の絶縁層は、基板作成時の反りの発生を矯正する目的で形成されるが、金属ベース回路基板の完成後は、基板の裏面をヒートシンク等に接続固定することがある。この場合、基板の裏面の絶縁層を除去しておくことで放熱性が向上する等の効果がある。勿論、基板の裏面において絶縁が必要な場合は、裏面の絶縁層を残しておけばよい。
【００６４】
一方、上述した実施の形態例に係る金属ベース回路基板において、基板の裏面に絶縁層を形成しない構造にしてもよい。基板の裏面に絶縁層を形成しない場合は、絶縁層を形成する場合に比べて、基板の反りが生じることがあるが、許容される反りの程度に応じて、基板裏面の絶縁層を形成するか、あるいは形成しないか、適宜変更が可能である。また、表面側に形成する回路によって反りの発生が異なるため、そのような反りの発生に応じて、基板裏面に絶縁層を形成するか形成しないかを適宜変更できる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 金属板
５ａ〜５ｄ 開口部
１０〜１４ 配線パターン
２０〜２３，３０〜３２ 絶縁層
４０，４０ａ，４０ｂ オーバーコート層
５１，５３ 配線部
１００ 金属ベース回路基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる基板に絶縁層を介して第１導体層を配設し、前記第１導体層の上にさらに絶縁層を介して第２導体層を配設してなる金属ベース回路基板であって、
前記第１導体層と前記第２導体層との間の絶縁層は、第１中間絶縁層と第２中間絶縁層とからなり、前記第１中間絶縁層の熱膨張係数は前記第２中間絶縁層の熱膨張係数よりも大きく、前記第１中間絶縁層を前記第２中間絶縁層で挟んだ構造を有することを特徴とする金属ベース回路基板。
【請求項２】
前記第１導体層及び前記第２導体層と、前記第１中間絶縁層とが直接接触しないことを特徴とする請求項１記載の金属ベース回路基板。
【請求項３】
前記第１導体層と前記第２導体層との間の絶縁層は、前記第１中間絶縁層が前記第２中間絶縁層によって完全に包み込まれた構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属ベース回路基板。
【請求項４】
前記第１中間絶縁層及び前記第２中間絶縁層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数よりも小さく、前記第１導体層及び前記第２導体層の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の金属ベース回路基板。
【請求項５】
前記基板と前記第１導体層との間の絶縁層は、前記基板表面に第１絶縁層が形成され、該第１絶縁層の上部に、該第１絶縁層よりも熱膨張係数の小さな第２絶縁層が形成され、該第２絶縁層の上に前記第１導体層を有する構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の金属ベース回路基板。
【請求項６】
金属材料で形成された基板上に熱膨張係数の異なる絶縁層を積層してなる金属ベース回路基板であって、
前記基板上の絶縁層は、前記基板表面に第１絶縁層が形成され、該第１絶縁層の上部に、前記第1絶縁層よりも熱膨張係数の小さな第２絶縁層が形成され、該第２絶縁層の上に導体層を有する構造であることを特徴とする金属ベース回路基板。
【請求項７】
前記基板の裏面に絶縁層を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の金属ベース回路基板。
【請求項１】
金属材料からなる基板に絶縁層を介して第１導体層を配設し、前記第１導体層の上にさらに絶縁層を介して第２導体層を配設してなる金属ベース回路基板であって、
前記第１導体層と前記第２導体層との間の絶縁層は、第１中間絶縁層と第２中間絶縁層とからなり、前記第１中間絶縁層の熱膨張係数は前記第２中間絶縁層の熱膨張係数よりも大きく、前記第１中間絶縁層を前記第２中間絶縁層で挟んだ構造を有することを特徴とする金属ベース回路基板。
【請求項２】
前記第１導体層及び前記第２導体層と、前記第１中間絶縁層とが直接接触しないことを特徴とする請求項１記載の金属ベース回路基板。
【請求項３】
前記第１導体層と前記第２導体層との間の絶縁層は、前記第１中間絶縁層が前記第２中間絶縁層によって完全に包み込まれた構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属ベース回路基板。
【請求項４】
前記第１中間絶縁層及び前記第２中間絶縁層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数よりも小さく、前記第１導体層及び前記第２導体層の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の金属ベース回路基板。
【請求項５】
前記基板と前記第１導体層との間の絶縁層は、前記基板表面に第１絶縁層が形成され、該第１絶縁層の上部に、該第１絶縁層よりも熱膨張係数の小さな第２絶縁層が形成され、該第２絶縁層の上に前記第１導体層を有する構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の金属ベース回路基板。
【請求項６】
金属材料で形成された基板上に熱膨張係数の異なる絶縁層を積層してなる金属ベース回路基板であって、
前記基板上の絶縁層は、前記基板表面に第１絶縁層が形成され、該第１絶縁層の上部に、前記第1絶縁層よりも熱膨張係数の小さな第２絶縁層が形成され、該第２絶縁層の上に導体層を有する構造であることを特徴とする金属ベース回路基板。
【請求項７】
前記基板の裏面に絶縁層を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の金属ベース回路基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９５５６８（Ｐ２０１２−１９５５６８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２７４０７（Ｐ２０１２−２７４０７）
【出願日】平成２４年２月１０日（２０１２．２．１０）
【出願人】（０００１０５３５０）コーア株式会社 (201)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月１０日（２０１２．２．１０）
【出願人】（０００１０５３５０）コーア株式会社 (201)
【Ｆターム（参考）】
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