DE112004000007T5

DE112004000007T5 - Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern

Info

Publication number: DE112004000007T5
Application number: DE112004000007T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tohkairin; Kenji Sakakibara; Hideki Kabune
Original assignee: Nippon CMK Corp; CMK Corp; Advics Co Ltd
Current assignee: Nippon CMK Corp; CMK Corp; Advics Co Ltd
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-08-11
Also published as: US7087845B2; JP2009021627A; JPWO2004068923A1; US20050145414A1; JP4669392B2; WO2004068923A1

Abstract

Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern, erhalten durch Bilden einer oder mehrerer zumindest innerer Schichten eines Laminates, bei dem eine isolierende Schicht und eine Leiterschicht abwechselnd auf einer Metallplatte gestapelt sind und die Metallplatte als einen Kern aufweist, wobei die Metallplatte unterhalb einer Stelle angeordnet ist, auf der ein Halbleiterelement montiert werden soll, eine Oberflächenschicht, über der das Halbleiterelement montiert ist, und die Metallplatte als die innere Schicht durch ein BVH verbunden sind, und eine Wärmestrahlungs-Schicht über der Oberflächenschicht gebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern, die zur wirksamen Abgabe von Wärme in der Lage ist, die durch ein Halbleiterelement (im Folgenden als "Heizelement" bezeichnet) erzeugt wird.
Stand der Technik
Konventionell wurde bei einer solchen Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern ein plattiertes Durchgangsloch, das zum Verbinden eines Leitermusters auf der Oberfläche einer Leiterplatte mit einem Leitermuster auf deren Rückseite gebildet wurde, als ein Durchgangsloch für Wärmestrahlung benutzt (z.B. JP-OS Hei 9-148691). Ein anderes Verfahren zum Bewirken von Wärmestrahlung ist ein Verfahren des Bildens einer Innenschicht-Schaltung aus einer Kupferfolie oder einer dünnen plattierten Schicht und des Verbindens der Innenschicht-Schaltung mit einer Leiterschaltung einer Oberflächenschicht und einem Kupfer-plattierten Blindloch (das im Folgenden als "IVH" bezeichnet wird), das in einer Innenschicht angeordnet ist (z.B. JP-OS Hei 11-330 708). Vorgeschlagen wurde auch eine Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern, die eine Wärmestrahlungs-Struktur aufweist, in der durch elektronische Teile abgegebene Wärme durch eine interne Wärmeübertragungsschicht über ein Kupfer-plattiertes Blindloch (im Folgenden als "BVH" bezeichnet) geleitet wird, das in einer äußeren Schicht gebildet ist und dann durch eine dielektrische Oberflächenschicht zu einem Chassis (Gehäuse) übertragen wird (z.B. JP-OS 2000-299 564).
Offenbarung der Erfindung
Wird Wärme über ein plattiertes Durchgangsloch abgestrahlt, dann stört ein Heizelement, das auf einer Seite montiert ist, das Montieren eines anderen Elementes auf der anderen Seite des Durchgangsloches. Zusätzlich kann eine weitere Verdrahtung nicht in der Nähe des plattierten Durchgangsloches angeordnet werden und dies stört eine Erhöhung der Verdrahtungsdichte. Darüber hinaus ist es unmöglich, die Wärmestrahlung durch Erhöhen der Anzahl plattierter Durchgangslöcher zu verbessern, weil bei Erhöhung der Anzahl ein Verdrahten unter Umgehen vieler Durchgangslöcher erforderlich ist. Selbst in einer Leiterplatte, in der Innenschicht-Schaltungen aus einer Kupferfolie oder einer dünnen plattierten Schicht hergestellt und über IVH verbunden sind, ist diese IVH-Verbindung nicht wirksam für die Wärmeübertragung, weil eine Kupferfolie oder eine plattierte Schicht ein dünnes Metall ist. In einer Wärmestrahlungs-Struktur zur Übertragung von Wärme aus einer internen Wärmeübertragungs-Schicht via BVH und Übertragen zu einem Chassis über eine dielektrische Oberflächenschicht ist die thermische Leitfähigkeit eines Harzes, das ein isolierendes Material ist, ungeachtet der Dicke der dielektrischen Oberflächenschicht gering und es können keine genügenden Wärmestrahlungs-Wirkungen erwartet werden.
In Anbetracht der vorstehenden Probleme ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wirksam Wärme, die von einem Heizelement abgegeben wurde, zur Außenseite einer Leiterplatte zu emittieren, während es eine zweite Aufgabe ist, eine Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern bereitzustellen, die das Montieren eines anderen Elementes auf der Seite der Leiterplatte gestattet, die der Seite gegenüber liegt, auf der das Heizelement vorhanden ist (auf der Rückseite der Platte).
Die erste Aufgabe wird bei einer Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern, erhalten durch Bilden einer oder mehrerer mindestens innerer Schichten eines Laminates, bei dem eine isolierende Schicht und eine Leiterschicht abwechselnd auf einer Metallplatte gestapelt sind, und das die eine Metallplatte als einen Kern aufweist, Anordnen der Metallplatte unter einer Stelle, auf der ein Halbleiterelement zu montieren ist, und Verbinden einer Oberflächenschicht, über der ein Halbleiterelement montiert ist, und der Metallplatte, als der inneren Schicht, über ein BVH gelöst.
Mit einer solchen Struktur kann eine Wärmestrahlungsschicht in einem anderen Raum der Oberflächenschicht gebildet werden als dem für Signal-Schaltungen und Abschnitte, auf denen Teile montiert werden sollen, sodass von dem Heizelement emittierte Wärme über die Innenschicht-Metallplatte zur Oberfläche der Leiterplatte abgegeben werden kann. Durch die oben beschriebene Struktur können zusätzlich Elemente auf der Seite der Leiterplatte montiert werden, die der Seite gegenüber liegt, auf der das Heizelement vorhanden ist, was die Anordnung von Teilen erleichtert, die Design-Freiheit vergrößert und dadurch die wirksame Nutzung des Raumes der Leiterplatte ermöglicht. Auf diese Weise kann die zweite Aufgabe gelöst werden.
Die Wärmestrahlungs-Wirkungen können weiter durch Füllen des BVH mit einem Material gefördert werden, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Im Besonderen kann Wärme, die sonst für viele Stunden in der Leiterplatte verbleibt, durch Anordnen einer Grund- bzw. Erdungsschicht an der Peripherie der Wärmestrahlungs-Schicht der Oberflächenschicht und durch Verbinden des Chassis mit der Erdungsschicht nach dem Montieren des Heizelementes rasch emittiert werden.
Wärmestrahlungs-Wirkungen können weiter durch Bilden eines Lötkissens zum Montieren des Heizelementes auf der Wärmestrahlungs-Schicht der Oberflächenschicht und Verbinden des Heizelementes mit der Oberflächenschicht über das Lötkissen verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht das Bereitstellen einer Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern, die zum wirksamen Abstrahlen von Wärme, die von einem Heizelement abgegeben wurde, zur Außenseite der Leiterplatte in der Lage ist und das Montieren von Elementen auf der Seite der Leiterplatte gestattet, die der Seite gegenüber liegt, auf der das Heizelement vorhanden ist, ohne die Packungsdichte der Schaltungen zu beeinträchtigen. Diese Erfindung stellt einen großen industriellen Beitrag dar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer anderen Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung der Herstellungsstufen (a) bis (d) der Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schematische Querschnittsansicht zum Erläutern der Herstellungsstufen (e) bis (f) der Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 ist eine schematische Querschnittsansicht zum Erläutern einer konventionellen Leiterplatte.

1: Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern (Erfindungsprodukt 1)
2: Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern (Erfindungsprodukt 2)
10, 40: Heizelement (Halbleiterelement)
11, 33, 41: Lötkissen
12, 12a, 34: BVH
13: Metallplatte
14, 35: Wärmestrahlungs-Schicht
15, 36: Erdungsschicht
16: Chassis
17: Wärmeübertragungs-Material
18: Element (Halbleiterelement)
21: elektrolytische Kupferfolie
22, 42: Prepreg
23: gewalzte Kupferplatte
24, 43: Kupfer-kaschierte Glas-Epoxy-Laminatplatte
25, 32, 44: plattiertes Durchgangsloch
26: Schaltung
27: Laminat
28: Öffnung
29: Durchgangsloch
30: Blindloch
31: Verkupferung

Beste Art der Ausführung der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden spezifisch unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Aufbau der Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Diagramm ist ein Heizelement 10 auf einem Lötkissen 11 einer Mehrschicht-Leiterplatte 1 mit Metallkern mit einer Metallplatte 13 als einem Kern innerer Schichten eines Laminates montiert, bei dem eine dielektrische Schicht und eine Leiterschicht abwechselnd gestapelt sind.
Direkt unter dem Heizelement 10 ist ein BVH 12 gebildet und gleichzeitig ist ein BVH 12a nicht direkt unter, aber unterhalb des Heizelementes gebildet. Das Heizelement 10 ist über das BVH 12 mit der Metallplatte 13 der inneren Schicht verbunden, während das BVH 12a und die Wärmestrahlungs-Schicht 14 und darüber hinaus die Erdungsschicht 15 an der Peripherie elektrisch über die Metallplatte 13 verbunden sind. Diese Wärmestrahlungs-Schicht 14 ist als ein festes Muster angeordnet, das einen anderen Raum nutzt als eine Signal-Schaltung (nicht dargestellt), die eine Leiterschaltung einer Oberflächenschicht ist und als ein Lötkissen, und sie wirkt wie eine Erdungsschaltung. Die Erdungsschicht 15 an der Peripherie der Wärmestrahlungs-Schicht ist mit einem Chassis 16 verbunden.
Ein Element 18 ist auf dem Lötkissen 11 auf der Seite der Mehrschicht-Leiterplatte 1 mit Metallkern gegenüber der Seite montiert, auf der das Heizelement 10 vorhanden ist.
Direkt unter dem Heizelement 10 ist das BVH 12 gebildet. Die Anordnung des BVH 12 direkt unter dem Heizelement ist zur Verbesserung der Wärmestrahlung bevorzugt.
Als Nächstes folgt eine Beschreibung der Wirkungen der Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform. Die im Heizelement 10 von 1 erzeugte Wärme erreicht die Metallplatte 13 der inneren Schicht über das unter dem Heizelement gebildete BVH 12. Die Wärme fließt durch die Metallplatte 13, wird zum BVH 12a und der Wärmestrahlungs-Schicht 14 übertragen und abgegeben, fließt durch die Erdungsschicht 15 und das damit verbundene Chassis 16 und wird dann rasch nach außen abgestrahlt.
Durch die oben beschriebene Struktur kann das Element 18 auf der Seite der Leiterplatte montiert werden, die der Seite gegenüber liegt, auf der das Heizelement vorhanden ist, was die Anordnung von Teilen erleichtert, die Design-Freiheit vergrößert und dadurch die wirksame Nutzung des Raumes der Platte ermöglicht.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht zum Erläutern des Aufbaus der Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die BVH 12 und 12a mit einem Wärme leitenden Material 17 gefüllt sind, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Als das Wärme leitende Material 17 sind Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einschließlich Metallen, wie Kupfer und Lotmaterial, sowie Harzpasten bevorzugt, die erhalten sind durch Vermischen eines anorganischen Materials, z.B. von Keramikteilchen (Aluminiumoxid, Siliciumdioxid) mit einem Harz.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die BVH 12 und 12a mit dem Wärme leitenden Material 17 gefüllt, sodass Wärme zu einem größeren Volumen übertragen wird, was zur weiteren Verbesserung der Wärmestrahlungs-Wirkungen führt.
Die Herstellungs-Beispiele der Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern der vorliegenden Erfindung werden als Nächstes detailliert unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben.
Herstellungs-Beispiel 1
Wie in 3(a) veranschaulicht, werden eine elektrolytische Kupferfolie 21 mit einer Dicke von 18 μm, ein Prepreg 22 mit einer Vorlaminationsdicke von 60 μm und eine gewalzte Kupferfolie 23 mit einer Dicke von 250 μm aufeinander gestapelt. Wie im Laminat 27 der 3(c) gezeigt, wurde nur die Seite der gewalzten Kupferfolie geätzt, um gleichzeitig eine Öffnung 28 zu bilden, die größer ist als der Durchmesser eines Durchgangsloches 29, das in einer späteren Stufe gebildet wurde, und von (nicht gezeigten) Schaltungsmustern.
Wie in 3(b) gezeigt, wurde nach der Bildung eines Durchgangsloches in einem von zwei doppelseitig Kupfer-kaschierten Glas-Epoxy-Laminaten 24 mit einer elektrolytischen Kupferfolie mit einer Dicke von 18 μm, ein plattiertes Durchgangsloch 25 durch Kupfer-Plattieren gebildet.
Dann wurden Schaltungen 26 nach dem fotografischen Verfahren gebildet. Bei dem anderen Kupfer-kaschierten Glas-Epoxy-Laminat 24 mit einer elektrolytischen Kupferfolie mit einer Dicke von 18 μm wurden Schaltungen 26 nur auf einer Seite nach dem fotografischen Verfahren gebildet.
Wie in 3(c) dargestellt, wurden die in den 3(a) und 3(b) erhaltenen Substrate unter Benutzung eines Prepregs 22 aufeinander gestapelt.
Wie in 3(d) gezeigt, wurde dann ein Durchgangsloch 29 in den resultierenden Stapel gebohrt, während in der Oberflächenschicht mittels Laser ein Blindloch 30 gebildet wurde.
Wie in 4(e) gezeigt, wurde dann eine Kupfer-Plattierung 31 auf das Durchgangsloch 29 und das Blindloch 30 aufgebracht.
Wie in 4(f) gezeigt, wurden Schaltungen über der Oberflächenschicht nach dem fotografischen Verfahren gebildet, wodurch die Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern (Erfindungsprodukt 1) gefertigt wurde, die das plat tierte Durchgangsloch 32, BVH 34, Lötkissen 33 und periphere Erdungsschicht 36 aufwies.
Herstellungs-Beispiel 2
In einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern mit der Ausnahme erhalten, dass nach der Bildung des Blindloches 30 in einer Oberflächenschicht mittels Laser, das BVH 12 mit Kupfer-Plattierung gefüllt wurde, sodass die erhaltene Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern ein mit Wärme leitendem Material (Kupfer) gefülltes BVH aufwies.
Konventionelles Produkt
Drei Kupfer-kaschierte Glas-Epoxy-Laminate 43 mit einer elektrolytischen Kupferfolie mit einer Dicke von 18 μm wurden hergestellt. Sie wurden unter Benutzung eines Prepregs 42 aufeinander gestapelt. In das Laminat wurde ein Durchgangsloch gebohrt, gefolgt von einer Kupfer-Plattierung. Ein Lötkissen 41 zum Montieren von Teilen darauf wurde auf der Oberflächenschicht des plattierten Durchgangsloches 44 gebildet. Ein Heizelement 40 wurde auf dem Lötkissen 41 montiert, wodurch die Leiterplatte mit sechs Schichten (konventionelles Produkt), wie in 5 gezeigt, erhalten wurde.
Test
Auf fast dem Zentrum jedes der Erfindungsprodukte 1 und 2, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt waren (der Durchmesser des BVH jedes Produktes betrug 0,15 mm) und der Leiterplatte mit sechs Schichten (Größe: 180×93 mm) als dem konventionellen Produkt wurden vier ICs (integrierte Schaltungen), die Heizelemente waren, montiert. Eine Leistung von 3W, insgesamt 12W, wurde für 5 Minuten angelegt.
Die Vergleichsresultate der Oberflächen-Temperatur der IC sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Aus den Testresultaten der Tabelle 1 wurde bestätigt, dass die Oberflächen-Temperatur (86°C) des auf dem Erfindungsprodukt 1 montierten IC geringer ist als die (102°C) auf dem konventionellen Produkt, sodass das Erfindungsprodukt 1 verbesserte Wärmestrahlungs-Wirkungen hat. Es wurde auch bestätigt, dass die Oberflächen-Temperatur (79°C) des auf dem Erfindungsprodukt 2 montierten IC, dessen BVH mit einem Wärme leitenden Material gefüllt war, geringer ist als die (86°C), die auf dem Erfindungsprodukt 1 montiert ist, und dass das Erfindungsprodukt 2 weiter verbesserte Wärmestrahlungs-Wirkungen zeigt.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrschicht-Leiterplatte (1) mit Metallkern, die erhalten ist durch Bilden einer oder mehrerer zumindest innerer Schichten eines Laminates, bei dem eine isolierende Schicht und eine Leiterschicht abwechselnd auf einer Metallplatte gestapelt sind und das die Metallplatte als einen Kern aufweist, die Metallplatte (13) unterhalb einer Stelle angeordnet ist, auf der ein Heizelement (10) montiert werden soll, und eine Oberflächenschicht, über der das Heizelement (10) montiert werden soll, mit der Metallplatte (13) der inneren Schicht über ein BVH (12) verbunden ist, und eine Wärmestrahlungs-Schicht (14) über der Oberflächenschicht gebildet ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die wirksame Abstrahlung von Wärme, die von dem Heizelement abgegeben wurde, zur Außenseite der Leiterplatte ohne die Packungsdichte der Schaltungen zu beeinträchtigen, und gleichzeitig das Montieren eines anderen Elementes auf der Seite, die der Seite gegenüber liegt, auf der das Heizelement vorhanden ist.

Claims

Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern, erhalten durch Bilden einer oder mehrerer zumindest innerer Schichten eines Laminates, bei dem eine isolierende Schicht und eine Leiterschicht abwechselnd auf einer Metallplatte gestapelt sind und die Metallplatte als einen Kern aufweist, wobei die Metallplatte unterhalb einer Stelle angeordnet ist, auf der ein Halbleiterelement montiert werden soll, eine Oberflächenschicht, über der das Halbleiterelement montiert ist, und die Metallplatte als die innere Schicht durch ein BVH verbunden sind, und eine Wärmestrahlungs-Schicht über der Oberflächenschicht gebildet ist.
Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern nach Anspruch 1, worin das BVH mit einem Wärme leitenden Material gefüllt ist.
Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern nach Anspruch 1 oder 2, worin eine Erdungsschicht an der Peripherie der Wärmestrahlungs-Schicht über der Oberflächenschicht angeordnet und mit einem Chassis verbunden ist, nachdem das Halbleiterelement montiert ist.
Mehrschicht-Leiterplatte mit Metallkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Wärmestrahlungs-Schicht mit einem Lötkissen zum Montieren des Halbleiterelementes ausgerüstet ist und das Halbleiterelement durch das Lötkissen mit der Oberflächenschicht verbunden ist.