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JP2756075B2 - 金属ベース基板およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

金属ベース基板およびそれを用いた電子機器

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Publication number
JP2756075B2
JP2756075B2 JP19639893A JP19639893A JP2756075B2 JP 2756075 B2 JP2756075 B2 JP 2756075B2 JP 19639893 A JP19639893 A JP 19639893A JP 19639893 A JP19639893 A JP 19639893A JP 2756075 B2 JP2756075 B2 JP 2756075B2
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Japan
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flake
insulating layer
insulating
metal base
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Insulated Metal Substrates For Printed Circuits (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、金属製のベース部
と、回路導体部と、該回路導体部と前記ベース部との間
に介在する絶縁部とから構成された金属ベース基板に関
し、特に、電子機器のうち、大量の熱を発生する電力制
御用半導体素子に用いられる金属ベース基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】インバータ、サーボ、主軸等の電子制御
機器にあっては、大容量のダイオード、トランジスタ、
ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等を用いて電力制御用半導体素
子として構成することがある。電力制御部のような発熱
の大きい電子回路に使用する回路用基板としては、いわ
ゆる、ＤＢＣ基板がある。このＤＢＣ基板は、導体回路
用の金属板と、セラミック絶縁材料と、該セラミック絶
縁材料の下面に接合された熱伝導性金属板とから構成さ
れている。
【０００３】上記ＤＢＣ基板に用いる金属板としては、
例えば、銅板が使用され、セラミック絶縁材料として
は、例えば、アルミナセラミック、窒化アルミセラミッ
クが使用され、熱伝導性金属板としては、例えば、銅板
が一般的に使用されている。上記の如く、セラミック絶
縁材料として、熱伝導性が良好なアルミナセラミック、
窒化アルミセラミック等が使用されるので、導体回路に
おいて発生した熱を速やかに金属板へ伝達させることが
でき、さらに、材料自体がセラミックのため、コロナ放
電に起因する劣化が抑制され、耐放電特性も良好とな
る。
【０００４】しかしながら、上記ＤＢＣ基板は、セラミ
ック絶縁材料層と熱伝導性金属板層との熱膨張率が異な
るため、ヒートサイクル特性が悪く、接合界面において
クラックを発生することが問題となる。また、セラミッ
クスの製造プロセスにおける制約から大型板の製作が困
難であり、約１５０ｍｍ×１５０ｍｍ程度の寸法が、そ
の製造限界となる。加えて、基板を製造する工程面にお
いても高温加熱が必要であり、その結果、製造プロセス
が複雑となって、コスト高になるという問題点があっ
た。
【０００５】このため、上記ＤＢＣ基板に代わる金属ベ
ース基板として、熱伝導性金属板の上に有機高分子から
なる絶縁層および回路用金属箔を接着剤により接着した
構造のものが提案されている。図７に示すように、この
金属ベース基板７０は、熱伝導性金属板１の上面に有機
絶縁材料からなる絶縁層２を介して回路導体３が形成さ
れ、絶縁層２に粒状無機充填材５が添加されている。こ
の構成は、例えば、特公昭４６−６２３５号公報、特公
昭４７−９６５０号公報に開示されている。
【０００６】通常、絶縁層を構成する有機高分子は、Ｄ
ＢＣ基板に使用されているセラミックと比べ、熱伝導率
がかなり低いが、有機高分子絶縁層にアルミナ、シリカ
等の無機充填材（フィラー）を添加することにより熱伝
導率を向上させ、さらに、絶縁層の厚さをＤＢＣ基板の
約７〜３０％に薄層化することにより、実用的なレベル
に到達している。
【０００７】その他、この発明に関連する参考技術文献
として、実開平３−１０６７７５号公報に開示されてい
る「金属ベース基板」、実開昭６３−７３９６６号公報
に開示されている「放熱性絶縁基板」、実開昭６２−９
８２５３号公報に開示されている「印刷回路板」、特開
平３−２４４１８０号公報に開示されている「金属ベー
ス積層板」、特開平２−２７７８６号公報に開示されて
いる「低熱抵抗回路基板」、特開平１−２３２７９５号
公報に開示されている「金属ベース基板の製造方法」、
特開平１−２３２７９２号公報に開示されている「回路
基板」がある。
【０００８】特に、上記実開平３−１０６７７５号公報
に開示されている第１図あるいは第４図には、熱伝導率
が大である長尺形状の無機充填材を有機絶縁層内に、そ
の長手方向を回路導体側から金属ベース側に向かって添
加、あるいは、ランダムに添加した金属ベース基板が開
示されている。この無機充填材の添加により金属ベース
基板７０の回路導体３上に実装されるトランジスタ、抵
抗体、コンデンサなどの実装部品から放出される熱を、
効果的に逃がすことができる。
【０００９】さらに、これらの金属ベース基板は、有機
高分子絶縁材料を使用するため、ＤＢＣ基板よりも大き
な基板を容易に、かつ、安価で製造でき、ＤＢＣ基板の
ようなヒートサイクルによるクラックの問題も発生しな
い。そこで、特に、電子機器において、大量の熱を発生
する電源回路等に上記構成の金属ベース基板が採用され
ている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の金属ベース基板にあっては、絶縁材料として、有機
高分子材料に粒状無機充填材を添加して使用している
が、放電にさらされると有機絶縁層が劣化しやすく、粒
状充填材が放電劣化の防止に対して有効に作用しない、
すなわち、放電劣化の進展が粒状無機充填材に当たった
場合、界面に沿って進展してしまい（図７に示した放電
進展経路７１参照）、それらの充填材は必ずしも耐放電
特性を向上させることができないという問題点があっ
た。
【００１１】また、ＤＢＣ基板と比較して放熱性の点か
ら絶縁層の厚さが通常のＤＢＣ基板の約７〜３０％に薄
層化（例えば、絶縁層の厚さを厚くすると耐放電特性は
向上するが、回路導体において発生した熱が金属板に伝
導されにくくなり、放熱性能が低下する）されているた
め、高電圧下にて使用される（従来、金属ベース基板
は、一般的に稼働電圧が比較的低い、例えば、交流２０
０Ｖ以下の用途に使用されてきたが、最近では、４００
Ｖ級、あるいは６００Ｖ級程度の高電圧が常時印加され
る用途に使用される場合が多くなっている）と、コロナ
放電により有機高分子絶縁層が放電劣化し、最終的に
は、絶縁層の絶縁破壊に到り、加えて、板厚が薄いので
最終的に絶縁破壊するまでの寿命も短いという問題点が
あった。
【００１２】特に、基板の導体回路部の沿面部分には空
気が内在したり、たとえ、レジスト、シリコンポッティ
ング材等で処理してある場合であっても、それらの処理
層内には空気のボイド部が存在する。一方、上記空気部
分に交流の高電圧が印加されるとコロナ放電することが
知られており、多くの有機高分子材料のコロナ開始電圧
は、その板厚にもよるが４００〜５００Ｖ前後であり、
定格電圧が４００Ｖ以上の電子機器や、それ以下の定格
電圧でも、スイッチング等の電子制御により、その使用
状態において４００Ｖ以上の電圧が負荷される場合に
は、コロナ放電が発生する。
【００１３】さらに、実開平３−１０６７７５号公報に
開示されている「金属ベース基板」にあっても、熱的な
面（熱伝導率の向上，線膨張率の低減）においては効果
的であるが、放電劣化の点に関しては、図７に示した粒
状無機充填材を添加したものと同様に、放電劣化の進展
が充填材に当たった場合、界面に沿って進展するため、
それらの充填材は、金属ベース基板の耐放電特性を向上
させることができないという問題点があった。
【００１４】この発明は、上記に鑑みてなされたもので
あって、基板の放熱特性に優れ、高電圧下においても使
用できる耐放電特性の優れた金属ベース板およびそれを
用いた電子機器を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この発明に係る金属ベー
ス基板は、金属製のベース部と、回路導体部と、該回路
導体部と前記ベース部との間に介在する絶縁部とから構
成される金属ベース基板において、前記絶縁部は複数の
絶縁層から構成され、それぞれの絶縁層は平均寸法が異
なるフレーク状無機充填材を添加された有機絶縁材料か
ら構成され、前記フレーク状無機充填材は前記絶縁部内
において積層されているものである。
【００１６】また、金属製のベース部と、回路導体部
と、該回路導体部と前記ベース部との間に介在する絶縁
部とから構成される金属ベース基板において、前記絶縁
部が異なる複数の材料によるフレーク状無機充填材を添
加された有機絶縁材料から構成され、前記フレーク状無
機充填材は前記絶縁部内において積層されているもので
ある。
【００１７】また、金属製のベース部と、回路導体部
と、該回路導体部と前記ベース部との間に介在する絶縁
部とから構成される金属ベース基板において、前記絶縁
部は複数の絶縁層から構成され、それぞれの絶縁層は材
料がそれぞれ異なるフレーク状無機充填材を添加された
有機絶縁材料から構成され、前記フレーク状無機充填材
は前記絶縁部内において積層されているものである。
【００１８】この発明に係る電子機器は、上記各金属ベ
ース基板を用いたものである。
【００１９】
【作用】この発明に係る金属ベース基板およびそれを用
いた電子機器は、絶縁部を複数の絶縁層から構成すると
ともに、それぞれの絶縁層は平均粒径がそれぞれ異なる
フレーク状無機充填材を添加した有機絶縁材料から構成
し、複数のフレーク状無機充填材の少なくとも何れか１
つの平面方向を回路導体部とベース部の表面に概ね平行
に揃え、耐放電特性が向上するように積層したので、た
とえ、回路導体部の沿面部分や絶縁層内のボイド部分に
おいて放電が発生し、有機絶縁材料が放電劣化しても、
フレーク状無機充填材の部分において放電劣化が抑制さ
れ、あるいは放電劣化が防止され、絶縁層全体の耐放電
特性が高まり、複数の有機絶縁層の厚さ比率を変えるこ
とにより使用条件に適した絶縁層を形成できる。
【００２０】この発明に係る金属ベース基板およびそれ
を用いた電子機器は、絶縁部を複数の材料が異なるフレ
ーク状無機充填材を添加した有機絶縁材料で構成し、フ
レーク状無機充填材の平面方向を回路導体部とベース部
の表面に概ね平行に揃え、耐放電特性が向上するように
積層したので、たとえ、回路導体部の沿面部分や絶縁層
内のボイド部分において放電が発生し、有機絶縁材料が
放電劣化しても、フレーク状無機充填材の部分において
放電劣化が抑制され、あるいは放電劣化が防止され、絶
縁層全体の耐放電特性が高まり、また、材種に応じた特
性を絶縁層に付与でき、より使用条件に適した絶縁層を
形成できる。
【００２１】この発明に係る金属ベース基板およびそれ
を用いた電子機器は、絶縁部を複数の絶縁層から構成す
るとともに、それぞれの絶縁層は異なる材料のフレーク
状無機充填材を添加した有機絶縁材料で構成し、それぞ
れのフレーク状無機充填材の平面方向を回路導体部とベ
ース部の表面に概ね平行に揃え、耐放電特性が向上する
ように積層したので、たとえ、回路導体部の沿面部分や
絶縁層内のボイド部分において放電が発生し、有機絶縁
材料が放電劣化しても、フレーク状無機充填材の部分に
おいて放電劣化が抑制され、あるいは放電劣化が防止さ
れ、絶縁層全体の耐放電特性が高まり、また、材種に応
じた特性を絶縁層に付与でき、より使用条件に適した絶
縁層を形成できる。
【００２２】
【実施例】以下、この発明に係る金属ベース基板および
それを用いた電子機器の実施例について、図面を参照し
つつ詳細に説明する。なお、本発明に係る金属ベース基
板は、後述するように、金属板，絶縁層および回路導体
で構成されると共に、絶縁層はフレーク状無機充填材が
添加された有機絶縁材料から構成される。ここでは、３
つの参考例（図１〜図３参照）を挙げ、フレーク状無機
充填材を用いたことによる絶縁層の耐放電特性の向上の
メカニズムや絶縁層内で無機充填材の方向を揃える方法
等を説明した後、本発明の実施例１〜３（図４〜図６参
照）を具体的に説明することにする。
【００２３】（１）第１の参考例 図１に示すように、金属ベース基板１０は、金属板１の
上面に絶縁層２を介して回路導体３を形成し、絶縁層２
には、平板形状のフレーク状無機充填材４が添加されて
いる。上記金属板１には、例えば、Ｆｅ，Ａｌ，Ｃｕ，
ＳＵＳ，ケイ素鋼板を使用することができるが、この例
においては、Ｃｕを使用している。また、回路導体３に
は、例えば、Ａｌ，Ｃｕ箔を使用することができるが、
この例においては、Ｃｕ箔を使用している。
【００２４】絶縁層２には、有機絶縁材料にフレーク状
無機充填材４を添加したものを使用するが、この例にお
いては、アルミナフィラーのフレーク状無機充填材（低
ソーダアルミナＡＬ−１３ＰＣ：昭和軽金属製）を樹脂
分に対して８０重量％添加したものを使用している。８
０重量％の添加としたのは、フレーク状無機充填材を樹
脂に対し多量に混合すると樹脂の粘度上昇が顕著とな
り、作業性が悪くなるためである。
【００２５】具体的には、有機絶縁材料として、常法に
よりエポキシ樹脂とジシアンジアミド硬化剤を主に使用
し、フレーク状無機充填材４としては、アルミナで寸法
が０．０４〜０．０６ｍｍの範囲で、厚さが０．００２
〜０．００３ｍｍのフレーク状のものを使用する。さら
に、基板絶縁層の厚さは０．１２ｍｍとし、絶縁層２内
に約２０〜３０層のフレーク層を形成する。
【００２６】上記フレーク状無機充填材４は、平板状で
あれば、円形、角形、多角形等の外周形状は任意のもの
でよい。さらに、フレーク状無機充填材４は、有機絶縁
材料において、その平面方向が回路導体３と金属板１に
概ね平行に揃っており、かつ、層状に重なるように添加
されている。すなわち、回路導体３上の任意の点から回
路導体３に垂直な方向で金属板１へ向かう方向の絶縁部
２内での何れのベクトルもフレーク状無機充填材４を貫
通するように添加されている。
【００２７】絶縁層２において、フレーク状無機充填材
４の方向を揃える方法には、種々の手段が採用されてい
る。例えば、粘度の低い状態の有機絶縁材料に平板形
状のフレーク状無機充填材の粉末を添加した後、薄層に
して何回も塗布し、硬化させる方法、重力を利用して
無機充填材の方向を揃える方法、あるいは、予め平板
形状のフレーク状無機充填材の粉末を金属板に載置した
後、有機絶縁材料を含浸させる方法がある。この第１の
参考例にあっては、粘度の低い状態の有機絶縁材料に平
板形状のフレーク状無機充填材４の粉末を添加した後、
薄層にして何回も塗布し（１０〜２０μ／１回×１０
回）、硬化させる方法をとり、硬化時には真空下で加圧
し、加熱硬化させる。
【００２８】上記の方法により得られた基板に対して耐
放電特性に関する試験を実行した。耐放電特性試験は、
縦２００ｍｍ×横１５０ｍｍの外径寸法で、金属板の厚
さを２ｍｍ、有機高分子絶縁層の厚さを０．１２ｍｍ、
導体層の厚さを０．１ｍｍとして金属ベース基板の中央
に幅５ｍｍ×長さ５０ｍｍの導体パターンをエッチング
プロセスにより形成して試料を得る。
【００２９】試験条件は、１００℃の雰囲気温度で、金
属ベース基板を構成する導体パターンと金属板の間に商
用６０Ｈｚの交流２ｋＶおよび３ｋＶを印加し、絶縁層
が絶縁破壊するまでの時間を求めた。交流電圧では、周
知の如く導体パターンの沿面付近の空気部分が激しく放
電する。試験により得られた結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】上記表１の結果から明らかなように、フレ
ーク状無機充填材を使用した金属ベース基板は、従来品
（粒状充填材）と比較して格段に耐放電特性が優れてい
ることがわかる。すなわち、上記構成の金属ベース基板
１０において、回路導体３側部分で発生した放電は、絶
縁層２を劣化させ、絶縁層２内のフレーク状無機充填材
４に到達する。このとき、絶縁層２の一部を構成してい
るフレーク状無機充填材４の平面方向が回路導体３と金
属板１に平行に揃っており、かつ、層状に重なるように
添加されているため、フレーク状無機充填材４の部分で
放電が発生するが、フレーク状無機充填材４は耐放電特
性が優れているので、劣化の進展が遅い（図１に示した
放電進展経路１１参照）。その結果、表１に示したよう
な特性が発揮されるものである。
【００３２】すなわち、金属板１の表面上に絶縁層２を
介して回路導体３が形成されてなる金属ベース基板にお
いて、絶縁層２にフレーク状無機充填材４を添加した有
機絶縁材料において、フレーク状無機充填材４の平面方
向が回路導体３と金属体１に概ね平行に揃うように構成
され、層状に重なるように添加されている金属ベース基
板１０は、耐放電特性が飛躍的に向上することがわか
る。
【００３３】このように、絶縁層をフレーク状無機充填
材を添加した有機絶縁材料で構成し、該フレーク状無機
充填材の平面方向を回路導体部とベース部に概ね平行に
なるように揃え、耐放電特性が向上するように積層した
ので、たとえ、回路導体部の沿面部分や絶縁層内のボイ
ド部分において放電が発生し、有機絶縁材料が放電劣化
しても、フレーク状無機充填材の部分において放電劣化
が抑制され、あるいは放電劣化が防止され、絶縁層全体
の耐放電特性が高まる。したがって、絶縁層が放電劣化
しても放電劣化がフレーク状無機充填材により防止され
るので、耐放電特性が向上する。
【００３４】また、上記の如く構成された金属ベース基
板の上にトランジスタ、抵抗体、コンデンサなどの大量
の熱を発生する電力制御用半導体素子を実装し、電子機
器を構成する。
【００３５】（２）第２の参考例 次に、第２の参考例について説明する。図２に示すよう
に、金属ベース基板２０は、金属板１の上面に絶縁層２
を介して回路導体３を形成し、絶縁層２には、フレーク
状無機充填材４と粒状無機充填材５が添加されている。
この例では、フレーク状アルミナ無機充填材（低ソーダ
アルミナＡＬ−１３ＰＣ：昭和軽金属製）を樹脂分に対
して約４０重量％と粒状無機充填材（アルミナフィラ
ー，球状品：昭和電工製）を樹脂分に対して約５０重量
％充填したものを使用している。
【００３６】フレーク状無機充填材４と粒状無機充填材
５を添加した有機絶縁材料において、フレーク状無機充
填材４は、その平面方向が回路導体３と金属板１に概ね
平行に揃っており、かつ、層状に重なるように添加され
ている。すなわち、回路導体３上の任意の点から回路導
体３に垂直な方向で金属板１へ向かう方向の絶縁部２内
での何れのベクトルもフレーク状無機充填材４を貫通す
るように添加されている。
【００３７】また、フレーク状無機充填材４の方向を揃
える方法には、種々手段が採用されているが、この例で
は、粘度の低い状態の有機絶縁材料に対しフレーク状無
機充填材４の粉末と粒状無機充填材５の粉末を樹脂に添
加した後、薄層にして何回も塗布し、硬化させ、その
後、硬化時に真空下で加圧し、加熱硬化させる方法を採
用している。
【００３８】その結果、樹脂の粘度を上記第１の参考例
に示したフレーク状無機充填材４のみを添加した構成の
ものよりも樹脂粘度を約７０％程度に低減でき、その作
業性を向上させることができる。したがって、粒状無機
充填材５を樹脂に混合することにより、工程での絶縁材
料の粘度を低減でき、絶縁層の線膨張率、熱伝導率を適
切に調製することができる。
【００３９】上記の方法により得られた基板に対して上
記第１の参考例と同様の耐放電特性に関する試験を実行
した。試験により得られた結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】上記表２の結果から明らかなように、フレ
ーク状アルミナ充填材と粒状アルミナ充填材を混合して
併用した金属ベース基板においても、従来品と比較して
耐放電特性が飛躍的に向上していることがわかる（図２
に示した放電進展経路２１参照）。この例における耐放
電特性の向上のメカニズムは上記第１の参考例と基本的
に同様である。
【００４２】このように、絶縁部をフレーク状無機充填
材および粒状無機充填材を添加した有機絶縁材料で構成
し、フレーク状無機充填材の平面方向を回路導体部とベ
ース部の表面に概ね平行に揃え、耐放電特性が向上する
ように積層したので、たとえ、回路導体部の沿面部分や
絶縁層内でのボイド部分において放電が発生し、有機絶
縁材料が放電劣化しても、フレーク状無機充填材の部分
において放電劣化が抑制され、あるいは放電劣化が防止
され、絶縁層全体の耐放電特性が高まり、また、粒状無
機充填材により、絶縁層の熱伝導率を向上させ、線膨張
率を低減することができ、充填材の混合比率を変えるこ
とにより使用条件に適した絶縁層を形成できる。したが
って、絶縁層が放電劣化しても放電劣化がフレーク状無
機充填材により防止されるので耐放電特性が向上し、さ
らに、作業性が向上するほか、フレーク状無機充填材に
制約されることなく、種々の特性を持った無機充填材を
混合することにより要求される性能を充足させることが
できる。
【００４３】また、上記の如く構成された金属ベース基
板の上にトランジスタ、抵抗体、コンデンサなどの大量
の熱を発生する電力制御用半導体素子を実装し、電子機
器を構成する。
【００４４】（３）第３の参考例 次に、第３の参考例について説明する。図３に示すよう
に、金属ベース基板３０は、金属板１の上面に絶縁層２
を介して回路導体３を形成し、絶縁層２は、第１の絶縁
層２ａと、第２の絶縁層２ｂとから構成され、第１の絶
縁層２ａにはフレーク状無機充填材４が充填され、第２
の絶縁層２ｂには粒状無機充填材５が充填されている。
【００４５】第１の絶縁層２ａには、エポキシ樹脂等の
有機絶縁材料にフレーク状無機充填材４を添加したもの
が使用されるが、この例では、アルミナフィーラーのフ
レーク状無機充填材（低ソーダアルミナＡＬ−１３Ｐ
Ｃ：昭和軽金属製）を樹脂分に対して約８０重量％添加
したものを使用する。
【００４６】第２の絶縁層２ｂには、エポキシ樹脂等の
有機絶縁材料に粒状無機充填材を添加したものが使用さ
れるが、この例では，アルミナフィラーの球状無機充填
材（超微粒子アルミナ，球状品：昭和電工製）を樹脂分
に対して約９０重量％添加したものを使用する。
【００４７】また、この例による金属ベース基板３０に
あっては、回路基板３側の絶縁層にフレーク状無機充填
材４を添加した有機絶縁材料の第１の絶縁層２ａを形成
する構成が耐放電特性において効果的であるため、金属
板１には先に粒状無機充填材５を添加した第２の絶縁層
２ｂを形成し、引き続き、フレーク状無機充填材４を添
加した第１の絶縁層２ａを形成した後、回路導体３を接
着させる。
【００４８】上記第１の絶縁層２ａにおけるフレーク状
無機充填材４は、有機絶縁材料において、その平面方向
が回路導体３と金属板１に概ね平行に揃っており、か
つ、層状に重なるように添加されている。すなわち、回
路導体３上の任意の点から回路導体３に垂直な方向で金
属板１へ向かう方向の絶縁部２内での何れのベクトルも
フレーク状無機充填材４を貫通するように添加されてい
る。
【００４９】また、無機充填材の方向を揃える方法に
は、種々手段が採用されているが、この例では、まず粘
度の低い状態の有機絶縁材料に粒状無機充填材５の粉末
を添加した後、薄層にして何回も塗布し、硬化させる方
法をとり、硬化時には真空下で加圧し、加熱硬化させ、
その厚さを０．０６ｍｍとする。さらに、粘度の低い状
態の有機絶縁材料にフレーク状無機充填材４の粉末を添
加した後、薄層にして何回も塗布し、硬化させる方法を
とり、硬化時には真空下で加圧し、加熱硬化させ、その
厚さを０．０６ｍｍとし、絶縁層２の厚さを合計０．１
２ｍｍとし、回路導体３を接着した。
【００５０】このようにして得られた基板に対して第１
／第２の参考例と同様の耐放電特性に関する試験を実行
した。試験により得られた結果を表３に示す。
【００５１】
【表３】
【００５２】表３の結果から明らかなように、この例に
係る金属ベース基板は、従来品と比較して、格段に耐放
電特性が優れていることがわかる（図３に示した放電進
展経路３１参照）。この例における耐放電特性の向上の
メカニズムは、上記第１の参考例と基本的に同様であ
る。ただし、フレーク状無機填材４を添加した第１の絶
縁層２ａの厚さが上記第１の参考例の絶縁層と比較して
薄いので絶縁破壊までの時間は短くなる。
【００５３】このように、絶縁部をフレーク状無機充填
材を添加した有機絶縁材料からなる絶縁層と、粒状無機
充填材を添加した有機絶縁材料からなる絶縁層の２層で
構成し、上記フレーク状無機充填材の平面方向を回路導
体部とベース部の表面に概ね平行に揃え、耐放電特性が
向上するように積層したので、たとえ、回路導体部の沿
面部分や絶縁層内のボイド部分において放電が発生し、
有機絶縁材料が放電劣化しても、フレーク状無機充填材
の部分において放電劣化が抑制され、あるいは放電劣化
が防止され、絶縁層全体の耐放電特性が高まり、粒状の
無機充填材により構成される絶縁層で、絶縁層の熱伝導
率を向上させ、線膨張率を低減することができ、２層の
有機絶縁層の厚さ比率を変えることにより使用条件に適
した絶縁層を形成できる。したがって、絶縁層が放電劣
化しても放電劣化がフレーク状無機充填材により防止さ
れるので耐放電特性が向上し、さらに、作業性が向上す
るほか、層の厚さを調整することができ、また、フレー
ク状無機充填材に制約されることなく、種々の特性を持
った無機充填材を混合することにより要求される性能を
充足させることができる。
【００５４】また、上記の如く構成された金属ベース基
板の上にトランジスタ、抵抗体、コンデンサなどの大量
の熱を発生する電力制御用半導体素子を実装し、電子機
器を構成する。
【００５５】〔実施例１〕 続いて、この発明に係る金属ベース基板およびそれを用
いた電子機器の実施例１について説明する。図４に示す
ように、金属ベース基板４０は、金属板１の上面に絶縁
層２を介して回路導体３を形成し、絶縁層２は、第１の
絶縁層２ａと第２の絶縁層２ｂとから構成され、第１の
絶縁層２ａにはフレーク状無機充填材４が添加され、第
２の絶縁層２ｂには第１の絶縁層２ａに添加されている
フレーク状無機充填材４とはその平均寸法が異なるフレ
ーク状無機充填材６が添加されている（フレーク状無機
充填材４＞フレーク状無機充填材６）。
【００５６】また、本実施例に係る金属ベース基板４０
にあっては、回路基板３側の絶縁層に平均寸法の長いフ
レーク状無機充填材４を添加した有機絶縁材料の第１の
絶縁層２ａを形成する構成が耐放電特性において効果的
であるため、金属板１には先に平均寸法の短いフレーク
状無機充填材６を添加した第２の絶縁層２ｂを形成し、
引き続き、平均寸法の長いフレーク状無機充填材４を添
加した第１の絶縁層２ａを形成した後、回路導体３を接
着させる。
【００５７】ここで、本実施例に係る金属ベース基板４
０の絶縁層２を第１の絶縁層２ａおよび第２の絶縁層２
ｂで構成した理由についてさらに詳細に説明する。平均
寸法（粒径）が大きなフレーク状無機充填材を添加した
有機絶縁材料の絶縁層２を金属板１上に形成する場合に
は、耐放電特性を向上させるために有効であるが、その
反面、絶縁層２にボイドが発生したり、絶縁層２の厚さ
が不均一になるという問題がある。ボイドの発生を低減
するためには絶縁層２の層厚を薄くすれば良いが、この
場合は耐放電特性を良好に保つことができないという問
題がある。このような問題を解決するには、層厚を厚く
して耐放電特性を良好に保つと共に、ボイドが形成され
にくい絶縁層２を形成する必要がある。そこで、図４に
示すように、平均寸法の大きなフレーク状無機充填材４
を添加した有機絶縁材料の第１の絶縁層２ａの層厚を薄
くしてボイドの発生を低減すると共に、平均寸法が小さ
なフレーク状無機充填材６を添加した有機絶縁材料の第
２の絶縁層２ｂをさらに設けることにより、平均寸法の
大きなフレーク状無機充填材４を用いた第１の絶縁層２
ａによる絶縁層２の厚さのばらつきを均一化し、かつ、
絶縁層２の層厚を厚くして耐放電特性を向上させる。な
お、平均寸法が小さい充填材が添加された有機絶縁材料
の粘度は低いため、第２の絶縁層２ｂを設けることによ
り、絶縁層２の厚さを均一化することができ、第２の絶
縁層２ｂを設けた分、絶縁層２の層厚を厚くすることが
できる。
【００５８】上記第１の絶縁層２ａにおけるフレーク状
無機充填材４および第２の絶縁層２ｂにおけるフレーク
状無機充填材６は、有機絶縁材料において、その平面方
向が回路導体３と金属板１に概ね平行に揃っており、か
つ、層状に重なるように添加されている。すなわち、回
路導体３上の任意の点から回路導体３に垂直な方向で金
属板１へ向かう方向の絶縁部２内での何れのベクトルも
フレーク状無機充填材４を貫通するように添加されてい
る。
【００５９】この構成においても、上記の各例と同様に
従来品と比較して、格段に耐放電特性が向上する（図４
に示した放電進展経路４１参照）。本実施例における耐
放電特性の向上のメカニズムおよび無機充填材の方向を
揃える方法は上記第１および第３の参考例と基本的に同
様である。なお、本実施例においては、第２の絶縁層２
ｂにもフレーク状無機充填材を用い、絶縁層２全体にフ
レーク状無機充填材を用いているため、上述した第３の
参考例のように絶縁破壊までの時間が短くなるというこ
とを防止することができる。
【００６０】また、上記の如く構成された金属ベース基
板の上にトランジスタ、抵抗体、コンデンサなどの大量
の熱を発生する電力制御用半導体素子を実装し、電子機
器を構成する。
【００６１】この発明の実施例１に係る金属ベース基板
およびそれを用いた電子機器によれば、絶縁層２は複数
の絶縁層２ａ，２ｂから構成され、それぞれの絶縁層２
ａ，２ｂは平均寸法が異なるフレーク状無機充填材４，
６を添加された有機絶縁材料からなり、フレーク状無機
充填材４，６が絶縁部内において耐放電特性が向上する
ように積層されているため、各絶縁層２ａ，２ｂが放電
劣化しても放電劣化がフレーク状無機充填材４，６によ
りそれぞれ防止されるので耐放電特性が向上し、さら
に、作業性が向上する。また、絶縁層２を上述した第１
の絶縁層２ａおよび第２の絶縁層２ｂのように、複数の
絶縁層で構成するようにしたため、各層の厚さを調節す
ることにより要求される性能に充足させることができる
という効果がある。具体的には、平均寸法の大きなフレ
ーク状無機充填材４を添加した有機絶縁材料の第１の絶
縁層２ａの層厚を薄くしてボイドの発生を低減すると共
に、平均寸法が小さなフレーク状無機充填材６を添加し
た有機絶縁材料の第２の絶縁層２ｂをさらに設けること
により、平均寸法の大きなフレーク状無機充填材４を用
いた第１の絶縁層２ａによる絶縁層２の厚さのばらつき
を均一化し、かつ、絶縁層２の層厚を厚くして耐放電特
性を良好に保つことができる。
【００６２】〔実施例２〕 次に、第２の実施例について説明する。図５に示すよう
に、金属ベース基板５０は、金属板１の上面に絶縁層２
を介して回路導体３を形成し、絶縁層２には、フレーク
状無機充填材４と、該フレーク状無機充填材４とは材質
が異なるフレーク状無機充填材７が添加されている。フ
レーク状無機充填材４とフレーク状無機充填材７を添加
された有機絶縁材料において、フレーク状無機充填材
４，７は、その平面方向が回路導体３と金属板１に概ね
平行に揃っており、かつ、層状に重なるように添加され
ている。すなわち、回路導体３上の任意の点から回路導
体３に垂直な方向で金属板１へ向かう方向の絶縁部２内
での何れのベクトルもフレーク状無機充填材４を貫通す
るように添加されている。上記フレーク状無機充填材
４，７としては、例えば、マイカ、窒化ホウ素、フレー
ク状ガラス、フレーク状アルミナのいずれかを用いる。
【００６３】この構成においても、上記の各例と同様に
従来品と比較して、耐放電特性が飛躍的に向上する（図
５に示した放電進展経路５１参照）。本実施例における
耐放電特性の向上のメカニズムおよび無機充填材の方向
を揃える方法は上記第１の参考例と基本的に同様であ
る。
【００６４】また、上記の如く構成された金属ベース基
板の上にトランジスタ、抵抗体、コンデンサなどの大量
の熱を発生する電力制御用半導体素子を実装し、電子機
器を構成する。
【００６５】この発明の実施例２に係る金属ベース基板
およびそれを用いた電子機器によれば、絶縁層２が異な
る複数の材料によるフレーク状無機充填材４，７を添加
された有機絶縁材料からなり、フレーク状無機充填材
４，７が絶縁部内において耐放電特性が向上するように
積層されているため、絶縁層が放電劣化しても放電劣化
がフレーク状無機充填材により防止されるので耐放電特
性が向上し、さらに、作業性が向上する。また、異なる
複数の材料によるフレーク状無機充填材の配合比率を調
節することや、種々の特性を持った無機充填材を混合す
ることにより、要求される性能に充足させることができ
るという効果がある。具体的には、異なる材料からなる
複数のフレーク状無機充填材４，７を用いることによ
り、絶縁層２の機械的強度の向上、金属板１と絶縁層２
の線膨張率のマッチング等を図ることができる。
【００６６】〔実施例３〕 次に、第３の実施例について説明する。図６に示すよう
に、金属ベース基板６０は、金属板１の上面に絶縁層２
を介して回路導体３を形成し、絶縁層２は、第１の絶縁
層２ａと、第２の絶縁層２ｂとから構成され、第１の絶
縁層２ａにはフレーク状無機充填材４が添加され、第２
の絶縁層２ｂには第１の絶縁層２ａに添加されているフ
レーク状無機充填材４とはその材質が異なるフレーク状
無機充填材８が添加されている。すなわち、回路導体３
上の任意の点から回路導体３に垂直な方向で金属板１へ
向かう方向の絶縁部２内での何れのベクトルもフレーク
状無機充填材４を貫通するように添加されている。上記
フレーク状無機充填材４，８としては、例えば、マイ
カ、窒化ホウ素、フレーク状ガラス、フレーク状アルミ
ナのいずれかを用いる。
【００６７】上記第１の絶縁層２ａにおけるフレーク状
無機充填材４および第２の絶縁層２ｂにおけるフレーク
状無機充填材８は、有機絶縁材料において、その平面方
向が回路導体３と金属板１に概ね平行に揃っており、か
つ、層状に重なるように添加されている。この構成にお
いても、上記の各例と同様に従来品と比較して、格段に
耐放電特性が向上する（図６に示した放電進展経路６１
参照）。本実施例における耐放電特性の向上のメカニズ
ムおよび無機充填材の方向を揃える方法は上記第１およ
び第３の実施例と基本的に同様である。
【００６８】また、上記の如く構成された金属ベース基
板の上にトランジスタ、抵抗体、コンデンサなどの大量
の熱を発生する電力制御用半導体素子を実装し、電子機
器を構成する。
【００６９】この発明の実施例３に係る金属ベース基板
およびそれを用いた電子機器によれば、絶縁層２は複数
の絶縁層２ａ，２ｂから構成され、それぞれの絶縁層２
ａ，２ｂは材料がそれぞれ異なるフレーク状無機充填材
４，８を添加された有機絶縁材料からなり、フレーク状
無機充填材４，８が絶縁部内において耐放電特性が向上
するように積層されているため、絶縁層２ａ，２ｂが放
電劣化しても放電劣化がフレーク状無機充填材４，８に
より防止されるので耐放電特性が向上し、さらに、作業
性が向上する。また、絶縁層２を上述した第１の絶縁層
２ａおよび第２の絶縁層２ｂのように、複数の絶縁層で
構成するようにしたため、各層の厚さを調節することに
より要求される性能に充足させることができるという効
果がある。なお、絶縁層２と金属板１との線膨張率が相
違するとこれらの接着の信頼性が低下するという問題が
あるが、絶縁層を多層化し、各層に含まれるフレーク状
無機充填材４，８の材料や量等を変化させることによっ
て線膨張率を変えることができるため、金属板１と絶縁
層２との接着の信頼性が低下するという問題を解決する
ことができる。具体的には、金属板１に近い絶縁層の線
膨張率を小さくし、金属板１から離れた絶縁層の線膨張
率を大きくすることで、各層の線膨張率の差を小さく
し、ヒートサイクル等のストレスに対する熱歪みを低減
でき、金属板１と絶縁層２との接着の信頼性の向上を図
ることができる。
【００７０】なお、本実施例に係わる金属ベース基板
は、上記の各例に限定するものではなく、その要旨の範
囲内で種々に変更することができる。上記各例では金属
板の片側の面にのみ回路導体を形成したが、金属板の両
側の面に絶縁層を介して回路導体を形成してもよい。ま
た、上記第１の実施例および第３の実施例においては、
絶縁層を二層としているが、これに限定されるものでは
なく、二層以外の複数層で構成されていてもよい。
【００７１】
【発明の効果】以上説明したとおり、この発明に係る金
属ベース基板（請求項１）によれば、絶縁部は複数の絶
縁層から構成され、それぞれの絶縁層は平均寸法が異な
るフレーク状無機充填材を添加された有機絶縁材料から
なり、フレーク状無機充填材が絶縁部内において耐放電
特性が向上するように積層されているため、絶縁層が放
電劣化しても放電劣化がフレーク状無機充填材により防
止されるので耐放電特性が向上し、さらに、作業性が向
上する。また、絶縁部を複数の絶縁層で構成するように
したため、各層の厚さを調節することにより要求される
性能に充足させることができるという効果がある。さら
に、平均寸法が異なるフレーク状無機充填材をそれぞれ
添加した有機絶縁材料の複数の絶縁層を積層することに
より、ボイドの発生を低減し、厚さが均一で、耐放電特
性を良好に保つことができる厚さの絶縁層を得ることが
できる。
【００７２】また、この発明に係る金属ベース基板（請
求項２）によれば、絶縁部が異なる複数の材料によるフ
レーク状無機充填材を添加された有機絶縁材料からな
り、フレーク状無機充填材が絶縁部内において耐放電特
性が向上するように積層されているため、絶縁層が放電
劣化しても放電劣化がフレーク状無機充填材により防止
されるので耐放電特性が向上し、さらに、作業性が向上
する。また、異なる複数の材料によるフレーク状無機充
填材の配合比率を調節することや、種々の特性を持った
無機充填材を混合することにより、要求される性能に充
足させることができるという効果がある。具体的には、
異なる材料からなる複数のフレーク状無機充填材を用い
ることにより、絶縁層の機械的強度の向上、金属製のベ
ース部と絶縁層の線膨張率のマッチング等を図ることが
できる。
【００７３】また、この発明に係る金属ベース基板（請
求項３）によれば、絶縁部は複数の絶縁層から構成さ
れ、それぞれの絶縁層は材料がそれぞれ異なるフレーク
状無機充填材を添加された有機絶縁材料からなり、フレ
ーク状無機充填材が絶縁部内において耐放電特性が向上
するように積層されているため、絶縁層が放電劣化して
も放電劣化がフレーク状無機充填材により防止されるの
で耐放電特性が向上し、さらに、作業性が向上する。ま
た、絶縁部を複数の絶縁層で構成するようにしたため、
各層の厚さを調節することにより要求される性能に充足
させることができるという効果がある。なお、絶縁層と
金属製のベース部との線膨張率が相違するとこれらの接
着の信頼性が低下するという問題があるが、絶縁層を多
層化し、各層に含まれるフレーク状無機充填材の材料や
量等を変化させることによって各層の線膨張率を変える
ことができるため、金属製のベース部と絶縁層との接着
の信頼性が低下するという問題を解決することができ
る。
【００７４】さらに、この発明に係る電子機器（請求項
４）によれば、上記請求項１〜３のいずれか一つに記載
の金属ベース基板を用いたため、絶縁層が放電劣化して
も放電劣化がフレーク状無機充填材により防止されるの
で耐放電特性が向上し、さらに、作業性が向上する。ま
た、絶縁部を複数の絶縁層で構成するようにした場合に
は、各層の厚さを調節することにより要求される性能に
充足させることができるという効果があり、異なる複数
の材料によるフレーク状無機充填材を添加した場合に
は、異なる複数の材料によるフレーク状無機充填材の配
合比率を調節することや、種々の特性を持った無機充填
材を混合することにより、要求される性能に充足させる
ことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る金属ベース基板に関連する耐
放電特性の向上のメカニズムおよび無機充填材の方向を
揃える方法を説明するための第１の参考例を示す説明図
である。
【図２】 この発明に係る金属ベース基板に関連する耐
放電特性の向上のメカニズムおよび無機充填材の方向を
揃える方法を説明するための第２の参考例を示す説明図
である。
【図３】 この発明に係る金属ベース基板に関連する耐
放電特性の向上のメカニズムおよび無機充填材の方向を
揃える方法を説明するための第３の参考例を示す説明図
である。
【図４】 この発明に係る金属ベース基板の構成（実施
例１）を示す説明図である。
【図５】 この発明に係る金属ベース基板の構成（実施
例２）を示す説明図である。
【図６】 この発明に係る金属ベース基板の構成（実施
例３）を示す説明図である。
【図７】 従来における金属ベース基板の構成を示す説
明図である。
【符号の説明】
１ 金属板，２ 絶縁層，２ａ 第１の絶縁層，２ｂ
第２の絶縁層，３ 回路導体，４ フレーク状無機充填
材，５ 粒状無機充填材，６ フレーク状無機充填材，
７ フレーク状無機充填材，８ フレーク状無機充填
材。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属製のベース部と、回路導体部と、該
    回路導体部と前記ベース部との間に介在する絶縁部とか
    ら構成される金属ベース基板において、前記絶縁部は複
    数の絶縁層から構成され、それぞれの絶縁層は平均寸法
    が異なるフレーク状無機充填材を添加された有機絶縁材
    料から構成され、前記フレーク状無機充填材は前記絶縁
    部内において積層されていることを特徴とする金属ベー
    ス基板。
  2. 【請求項２】 金属製のベース部と、回路導体部と、該
    回路導体部と前記ベース部との間に介在する絶縁部とか
    ら構成される金属ベース基板において、前記絶縁部が異
    なる複数の材料によるフレーク状無機充填材を添加され
    た有機絶縁材料から構成され、前記フレーク状無機充填
    材は前記絶縁部内において積層されていることを特徴と
    する金属ベース基板。
  3. 【請求項３】 金属製のベース部と、回路導体部と、該
    回路導体部と前記ベース部との間に介在する絶縁部とか
    ら構成される金属ベース基板において、前記絶縁部は複
    数の絶縁層から構成され、それぞれの絶縁層は材料がそ
    れぞれ異なるフレーク状無機充填材を添加された有機絶
    縁材料から構成され、前記フレーク状無機充填材は前記
    絶縁部内において積層されていることを特徴とする金属
    ベース基板。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一つに記載の金
    属ベース基板を用いたことを特徴とする電子機器。
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