JP2635770B2 - プリント配線用基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、ICやLSIその他の電子素子を取付けるプリ
ント配線板に使用されるプリント配線用基板に関するも
のであり、さらに具体的には、導体パターンをプリント
して電子素子等を装着した場合に、導体パターンや電子
素子等からの発熱より効率的に放熱できるように工夫し
た基板に関するものである。

「従来技術と発明が解決しようとする課題」 最近、装置の小型化、高性能（高密度実装）化によ
り、プリント配線板の導体パターン、プリント配線板に
装着したICやLSI等の電子素子の発熱密度が増大してい
る。したがって、電子素子が所定温度以上の高温になら
ないように冷却する必要がある。

そのような冷却手段として、例えば、アルミニウム，
鉄，銅等の金属板を心にした基板（孔あけした金属板に
対し樹脂を均一にコーティングしたもの、「メタルコ
ア」とも言う。）や、セラミック基板のような高熱伝導
基板を使用し、基板自体で熱を拡散しながら強制風冷に
より冷却する技術が提案されている。

この技術は、前記のように強制風冷しなければならな
いが、電子素子を高密度に実装した場合、発熱密度が高
まることにより素子の温度が上昇するので、高密度実装
化には限界があり、しかも、強制風冷を不可決とするこ
とによって、機器の信頼性（平均的寿命）を低下させる
欠点がある。

また、一層の高密度実装を達成するための基板とし
て、プリント配線技術読本（昭和60年８月10日、日刊工
業新聞社発行、伊藤謹司編著）第132頁に記載されてい
るような、ヒートパイプ構造のアルミナ基板が提案され
ている。

このヒートパイプ構造の基板は、第12図のように、内
壁面へ縦横にＶ溝a3を形成したアルミナ製中空プレート
ａ内に図示しない作動液を封入し、これを素子の搭載領
域a1と放熱領域a2とに区分し、放熱領域a2の部分に放熱
ファンｂを取付けたものである。この基板において、搭
載領域a1の表面に高密度に搭載されている図示しない素
子の発熱は、内部の作動液が蒸発することによって奪わ
れ、当該蒸気により放熱領域a2に運ばれ、放熱領域a2で
当該蒸気が凝縮することにより放熱するようになってい
る。

このヒートパイプ構造の基板の熱伝導率は、銅板の約
20倍と言われ、極めて高密度に実装できるが、全体が中
空板であるから、高密度実装に耐える強度を保たせるに
は、アルミナ板の肉厚を厚くする必要があり、基板全体
の厚みが大きくなるので、機器の小型化には限界がある
ほか構造コストが高価になり、しかも、スルーホールを
加工するのが極めて困難である。また、全体に中空にな
っているため、基板をフレキシブルにすることもできな
い。

本発明の目的は、前述のような欠点を改善した放熱効
果の高いプリント配線用基板を提供することにある。

「課題を解決するための手段」 本発明に係るプリント配線用基板の一つは、前述の目
的を達成するため、片面に吸熱層を有する絶縁板に、前
記吸熱層へ接触する状態に適数のヒートパイプを定着さ
せている。

前記基板については、ヒートパイプが定着されている
位置以外の部分において、絶縁板の吸熱層を均一な厚み
のベース材の片面又は両面に定着させるのが望ましい。

絶縁板は電気的絶縁性を有するものであれば、樹脂又
はその複合積層板，セラミック、あるいは金属板の表面
を樹脂コーティング等により絶縁加工したものでもよい
が、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，ポリプタジェン樹
脂又はこれ等の樹脂系の積層板であるのが種々の点で好
ましい。

基板をフレキシブルにするときは、柔軟性のあるもの
を使用するが、耐熱性、寸法安定性、引き裂き抵抗、難
燃性等の点でポリイミド、耐熱性ガラスエポキシ等のフ
ィルムが好適である。

吸熱層には金属箔、特に銅箔又は銅板を用いるのが好
ましい。

吸熱層とヒートパイプは、好ましくはハンダ又はプリ
プレグを介して接合する。

絶縁板として、表面を樹脂コーティング等により絶縁
加工した熱伝導性のよい金属板を使用するときは、前記
金属板が吸熱層となるので、前記金属板に接触するよう
にヒートパイプを定着させればよい。

ヒートパイプの一部は、平面より見て基板の側方へ突
出させ、この突出した部分を放熱部とし、この放熱部を
機器のシャーシーに取付けたり、あるには前記放熱部に
放熱フィンを設けるのが好ましい。

前記絶縁板には、少なくとも一辺へ、吸熱層の直接又
は吸熱材を介して接触するようにヒートパイプ付きの良
熱伝導性のフレームを設けるとさらに好ましい。

本発明に係るプリント配線用基板の他の一つは前述の
目的を達成するため、吸熱層を有する絶縁板を設け、こ
の絶縁板の少なくとも一辺へ、吸熱層の直接又は吸熱材
を介して接触するようにヒートパイプ付きの良熱伝導性
のフレームを設けている。

「作用」 本発明に係るプリント配線用基板は、絶縁板の表面に
電子素子等を取付けるものであるが、機器の運転中にお
ける電子素子の発熱は、絶縁板及び吸熱層を経てヒート
パイプに伝わる。また、絶縁板として表面を絶縁加工し
た金属板を使用した場合は、電子素子等からの発熱は、
絶縁板の吸熱層を構成する前記金属板を経てヒートパイ
プに伝わる。

ヒートパイプに特に放熱部を設けない基板において、
ヒートパイプへ前述のように伝達された熱は、熱密度が
高くなっている領域で作動液が蒸発することによって吸
熱され、その蒸気が当該ヒートパイプ内の低熱密度領域
で凝縮することによって、均熱化しつつ放熱される。

また、ヒートパイプに放熱部を設けた基板において
は、ヒートパイプへ前述のように伝達された熱は、ヒー
トパイプ内の当該部分で作動液が蒸発することによって
吸熱され、その蒸気が当該ヒートパイプの放熱部で凝縮
することによって放熱される。

前記のようにヒートパイプを有する絶縁板の辺に、吸
熱層と直接又は吸熱材を介して接触するヒートパイプ付
きの熱伝導性の良いフレームを設けた場合は、このフレ
ームを機器のシャーシー等に取付けて使用すると、前記
の作用のほか、基板の熱がフレームに伝わり、フレーム
の熱はフレームに付いているヒートパイプを介しシャー
シー等に分散される。

また、ヒートパイプを有しない絶縁板の辺に前記のよ
うにヒートパイプ付きのフレームを設けた基板にあって
は、このフレームを機器のシャーシー等に取付けて使用
すると、基板の熱はフレーム及びフレームに付いている
ヒートパイプを介してシャーシー等に分散される。

本発明に係る基板は、以上の繰り返しにより高熱にな
るのを防止する。

「実施例−１」 第１図〜第４図は第１実施例であって、ガラスエポキ
シ樹脂積層板よりなる絶縁板１（幅Ｗ長さＬともに100m
m,肉厚0.1mm）の片面には、絶縁板１とほぼ同形同サイ
ズの銅箔よりなる吸熱層２が定着されている。

吸熱層２の面には、内部に図示しない作動液が封入さ
れた銅製角パイプよりなるヒートパイプ３（肉厚0.3mm,
短辺h2mm,長辺w4mm）が、ほぼ等間隔に三本定着されて
おり、その一部は平面より見て縁部より突出し、こと突
出した部分は放熱部31を構成し、この放熱部31には、第
３図のような状態で銅板よりなる放熱フィン32が取付け
られている。

ヒートパイプ３の放熱部31は、第３図のように丸パイ
プ上に形成するのが望ましい。

この実施例の基板において、絶縁板１の吸熱層２は、
ヒートパイプ３が接触していない部分がエポキシ樹脂よ
りなるベース材４の片面に定着されている。この実施例
のベース材４は、吸熱層２とヒートパイプ３の側面とに
密接している第１ベース材41と、この第１ベース材41及
びヒートパイプ２の一辺面に定着されている第２ベース
材42から構成されている。

この基板は片面実装用のものであって、第２図におけ
る上面又は下面に（あるいは、ベース材４内にも）導体
パターンをプリントし、同図上面に電子素子を実装す
る。下面に導体パターンをプリントした場合は、ヒート
パイプ３の位置以外の部分に図示しないスルーホールを
形成し、所定のリードにより上面に素子を実装する。

この実施例の基板は、次のように製造されている。

第４図のように、片面に銅箔よりなる吸熱層２を形成
した前記サイズの絶縁板１を準備し、吸熱層２の面の所
定位置の範囲2a（ヒートパイプ３の断面における長辺Ｗ
（第２図）よりやや狭い範囲）に図示しないクリームハ
ンダ（プリプレグでも可）を薄く塗り、当該位置にヒー
トパイプ３を置き、二層のプリプレグ（厚さ各0.07mm）
4a,4bを吸熱層２及びヒートパイプ３の上に重ね、所要
部分に前記ヒートパイプ３の下面部が僅かに突出して収
まる程度の溝43を形成した第１ベース材（厚みT4が1.95
mmのエポキシ樹脂板）をその上に重ね、さらに、プリプ
レグ（厚さ各0.07mm）4c,4dを介して第２ベース材（厚
みt4が1.2mmのエポキシ樹脂板）42を重ね、同図上下方
向に全体をプレスしながら180〜200℃程度に加熱して、
厚みＴ（第２図）が3.3mm程度の基板を製造する。

また、成形型（図示しない）を製造し、成形型内にヒ
ートパイプ３を接着した絶縁板１を入れ、その上から樹
脂を流し込んでベース材４を構成しても製造することが
できる。

この実施例の基板において、絶縁板１の表面に実装し
た素子や導体パターンからの発熱は、第２図における吸
熱層２を介してヒートタイプ３に伝わり、ヒートタイプ
３内の作動液を蒸発し、この蒸気の熱は当該蒸気が放熱
部31で蒸発することによって放散される。

この実施例の基板と、当該基板と同サイズ，同材質で
ヒートパイプ３を有しない従来の基板とを準備し、各基
板の絶縁板１の表面に導体パターンを形成し、それぞれ
4W（ワット）のLSIを４個取付けて、前者については自
然風冷により、後者の基板については最高温度が100℃
を越えないように強制風冷（4m/秒）しながら放熱実験
したところ、前者は57℃以下に維持できたが、後者は93
℃程度に保つのが限界であった。

温度の点に限ると、一般に素子の信頼性は、機器の運
転時における最高温度が10℃低下するごとに２倍程度向
上するとされているので、前記実施例の基板は前記従来
の基板に比べ、素子の信頼性を８倍程度高めることがで
きる。

また、前記実施例の基板は、ファンで強制風冷しなく
てもかなりの熱を放散するので、多くの場合に強制風冷
を必要とせず、ファンによるノイズの問題を考慮する必
要がない場合が多くなり、これ等の点から、機器の信頼
性をさらに一層高めることができる。

ヒートパイプ３の放熱部31は、これを機器類に設けた
シャシー等に接触させて、さらに放熱効果が高まる状態
で使用することができる。

前記実施例のように、絶縁板１にガラスエポキシ樹脂
積層板を使用した場合、放熱の点からは薄ければ薄い程
好ましいが、その表面に素子を実装すること、銅箔から
なる吸熱層２との密着性、熱サイクル等を考慮すると、
種々の条件を考慮しながら、0.02mm以上の肉厚に設定す
るのが好ましい。

吸着層２に銅箔を用いる場合、絶縁層の材質によって
も異なるが、この実施例のように絶縁板１にガラスエポ
キシ樹脂積層板を使用すると、吸熱層２の肉厚が0.035m
m以下では伝熱性が著しく低下するので、基板全体に許
容される重量を考慮しながら、0.035mm以上の肉厚に設
定するのが好ましい。

前記実施例では、第１ベース材41と吸熱層２及びヒー
トパイプ３との接着、及び、第１ベース材41と第２ベー
ス材42との接着のため、それぞれ二層のプリプレグを使
用したが、それぞれ一層でも実施することができるし、
また、吸熱層２とヒートパイプとの接着には、ハンダの
ほかにプリプレグを使用してもよい。

「実施例−２」 第５図は、両面にヒートパイプ３がやや露出する状態
に形成したエポキシ樹脂からなるベース材４を設け、こ
のベース材４の両面に、プリプレグを介して絶縁板１の
吸熱層２の面を加熱接着して、素子類を両面に実装でき
るように構成したものである。

この実施例の基板の他の構造や作用は、実施例−１の
ものとはほぼ同様なので説明を省略する。

「実施例−３」 第６図及び第７図は、ヒートパイプ３を絶縁板１の周
縁から突出させない（第１図における放熱部31を有しな
い）ように構成し、絶縁板１の相対する辺に、銅やアル
ミニウム又はこれ等の合金類からなる吸熱材21を介し
て、吸熱層２と接するようにヒートパイプ３′付きの金
属製のフレーム５を取付けたもので、フレーム５を機器
のシャーシー６等に取付けて使用するのに適している。

この実施例の基板においては、実装した電子素子の熱
は、ヒートパイプ３に伝わり、ヒートパイプ３内の熱密
度の高い領域で内部の作動液が蒸発し、その蒸気が当該
ヒートパイプ３内の熱密度の低い領域で凝縮することに
よって基板全体が均熱化する。また、より高密度実装に
より基板全体が高温になった場合、その熱は吸熱層２及
び吸熱材21を介してフレーム５に伝わり、ヒートパイプ
３′を介してシャーシー６に分散される。

この実施例の基板は、絶縁板１の周縁にヒートパイプ
３の一部が突出していないので、取扱いが極めて簡単に
なる利点がある。

このようなヒートパイプ３′付きフレーム５によって
放熱効果を高める手段は、第１図〜第５図の実施例の基
板や、以下の各実施例の基板に応用するとさらに効果的
である。

また、また基板の熱密度によっては、第６図及び第７
図におけるヒートパイプ３を有しない絶縁板１を設け、
この絶縁板に同図のようにヒートパイプ３′付きのフレ
ーム５を取付けても実施することができる。

「実施例−４」 第８図及び第９図の実施例は、熱伝導性のよい金属板
よりなる吸熱層11の表面を樹脂皮膜12によりコーティン
グして絶縁板１を作成し、この絶縁板１の裏面に、前記
吸熱層11と接触するようにヒートパイプ３を定着したも
のであり、前記各実施例の基板におけるような、ベース
材４を使用していない。

この実施例の基板において、作用や他の構成では実施
例−１の基板におけるものとほぼ同様なので説明を省略
する。

「実施例−５」 第10図の実施例は、適宜の材質の絶縁板１の裏面に銅
箔又はアルミ箔等を貼って吸熱層２を形成し、絶縁板１
の吸熱層２と密着するように適数のヒートパイプ３を定
着したものである。

この実施例においては、絶縁板１にポリイミド樹脂又
はポリイミド樹脂系の積層板を使用すると、フレキシブ
ルな基板とすることができる。

この実施例の基板の他の構成や作用は、実施例−１の
基板とほぼ同様なので説明を省略する。

「実施例−その他」 第10図又は第９図における絶縁板１を使用するとき
は、第11図のように、角形のヒートパイプ３の対の面を
それぞれ絶縁板１の所要の面に定着して、両面実装でき
るように構成することができる。

前記各実施例において、ヒートパイプ３には前記実施
例のもの以外の断面形状のものを使用することができる
が、吸熱層２との接触面や、第９図の例における吸熱層
11との接触面は、熱伝導をよくするため平滑であること
が望ましい。

前記各実施例の基板に素子を実装し、これを機器に組
込んだ場合は、発熱部に温度センサーを設け、この温度
センサーが所定温度以上を検出したとき、適当な位置に
設けたファンにより強制風冷するように構成すると一層
効果的である。

ヒートパイプ3,3′内には、その断面における片側又
は両側に位置するように、長手方向に沿って連続する状
態の図示しないウイックを設け、このウイックの部分が
作動液の流路となり、ウイック以外の空間部が蒸気の流
路となるように構成して、熱輸送が一層よく行なえるよ
うにするのが好ましい。このウイックは、グルーブ、ワ
イヤ、メッシュ、焼結多孔金属、極細間隙その他毛細管
現象をもつのであればよく、またその材質も銅、銀、
鉄、ステンレス、ガラス等が好適に使用される。

「発明の効果」 本発明に係るプリント配線用基板は、放熱性能が飛躍
的に向上して電子素子等のより高密度な実装が実現で
き、機器の信頼性を飛躍的高めることができる。

従来のヒートパイプ構造のアルミナ中空基板とは異な
り、スルーホールの加工も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るプリント配線用基板の第１実施例
を示す平面図、第２図は第１図の矢印Ａ−Ａに沿う部分
拡大断面図、第３図は第１図の矢印Ｂ−Ｂに沿う部分拡
大断面図、第４図は第１図の基板の製造方法を説明する
ための部分拡大分解断面図、第５図は他の実施例の基板
を示す部分拡大断面図、第６図はさらに他の実施例の基
板の平面図、第７図は第６図の矢印Ｃ−Ｃに沿う部分拡
大断面図、第８図はさらに他の実施例の基板の平面図、
第９図は第８図の矢印Ｄ−Ｄに沿う部分拡大断面図、第
10図はさらに他の実施例の基板の部分拡大断面図、第11
図はさらに他の実施例の基板の部分拡大断面図、第12図
は従来のヒートパイプ構造のプリント配線用基板の一部
省略拡大断面図である。 図中主要符号の説明 １……絶縁板 11……金属板よりなる吸熱層 12……樹脂皮膜 ２……吸熱層 ３、３′……ヒートパイプ 31……ヒートパイプの放熱部 32……放熱フィン ４……ベース材 41……第１ベース材 42……第２ベース材 4a〜4d……プリプレグ ５……フレーム ６……シャーシー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−9390（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−167566（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−22889（ＪＰ，Ｕ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】片面に吸熱層を有する絶縁板と適数のヒー
   トパイプとを有し、前記吸熱層の一部に適数のヒートパ
   イプがハンダ又はプリプレグにより接合されている、プ
   リント配線用基板。
2. 【請求項２】絶縁板が肉厚0.02mm以上、吸熱層の厚みが
   0.035mm以上である、請求項１記載のプリント配線用基
   板。
3. 【請求項３】前記絶縁板が、良熱伝導性の金属板の少な
   くとも片面に絶縁加工を施してなるものである、請求項
   １又は２記載のプリント配線用基板。
4. 【請求項４】前記ヒートパイプの当該基板の側方に突出
   した部分に放熱フィンを設けた、請求項１〜３に何れか
   に記載のプリント配線用基板。
5. 【請求項５】前記絶縁板の少なくとも一辺にヒートパイ
   プ付きのフレームを設けた、請求項１〜４に何れかに記
   載のプリント配線用基板。