JP2004095608A

JP2004095608A - 放熱用基板及びその製造方法

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Publication number: JP2004095608A
Application number: JP2002250904A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tsumura; 津村　哲也; Michihiro Miyauchi; 宮内　美智博; Takaharu Murakami; 村上　孝晴
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP4023257B2

Abstract

【課題】回路部品を実装した基板に対し、無機フィラーと熱硬化性樹脂との混練物である高効率な放熱用基板を形成する。
【解決手段】回路基板１０７に有した少なくとも１つの実装部品１０８の天面に当接する面を備えた、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなる放熱用基板１０９である。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路部品が実装された基板に、樹脂と無機フィラーの混合物を組み合わせて、放熱性を向上させた放熱用基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に従い、回路部品の高密度、高機能化が一層叫ばれている。そのため、回路部品の高密度化、高機能化に対応した回路基板が要求されている。その結果、回路部品の放熱を高める方法が重要となってきている。回路部品の放熱性を高める技術として、従来のアルミ板を切削加工したものを部品実装している回路基板に貼り付け、部品の天面から熱を拡散する方式が知られている。しかし、この方式では、複数の部品の天面にアルミ板を接触させるためにはアルミ板に複雑な加工をする必要があり、コストが高くなるという課題を残している。
【０００３】
さらに、図面を用いて説明する。図４は従来の放熱用基板を示す概略側面図であり、一般的にはアルミ板を切削加工した放熱板４０１を部品実装済みの回路基板１０７に熱伝導性接着剤１１０を用いて貼り付け、部品１０８の天面から熱を拡散する方式が知られている。しかし、この方式ではすべての部品の天面にアルミ板を接触させるためには、アルミ板に複雑な切削加工をする必要があり、コストが高くなるという課題を残している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の金属板の貼り付け方法は、性能及びコストの面で両立させることが難しい。回路部品実装済み基板では、回路部品の実装密度が高密度になればなるほど部品から発生する熱を放熱させる必要が高くなるが、従来の金属板の貼り付け方法では複数の部品の天面に接触できるような放熱板を作るのはその加工方法が切削加工によるため、非常に手間がかかり、コストが高くなる。したがって、一部の部品、または、部分的な接触で妥協することが多く、結果として十分に放熱をすることができず、回路部品実装済み基板の信頼性が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題を解決するため、高効率の放熱用基板とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の放熱用基板は、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなり、それが加熱される前は軟体であるため、容易にそれが組み合わされる回路基板の実装部品の天面に当接するように成形することができる。したがって、多数の実装部品の天面に接触することによる高い放熱効果と、成形方式による複雑な形状を容易に形成することができ、生産性の高い製造方法を提供するものである。
【０００７】
また、上記放熱用基板では回路部品から発生する熱が、無機フィラーによって速やかに放熱されるため、信頼性の高い回路部品実装基板が得られるだけでなく、無機フィラーの材質を選択することによって、回路の特性に合わせてこの電気絶縁性を持つ放熱基板の熱伝導度、線膨張係数、誘電率、絶縁耐圧等を変化させることができる。
【０００８】
また、放熱用基板の片面に回路パターンを形成したり、貫通孔を形成することにより、部品内蔵多層基板を容易に形成することができる。
【０００９】
特に、本発明の請求項１に記載の発明は、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなり、それが加熱される前は軟体であるため、容易にそれが組み合わされる回路基板の実装部品の天面に当接するように成形することができる。また、回路部品から発生する熱が、無機フィラーによって速やかに放熱されるため、信頼性の高い回路部品実装基板が得られる。さらに、無機フィラーの材質を選択することによって、回路の特性に合わせて電気絶縁性高放熱封止材の熱伝導度、線膨張係数、誘電率、絶縁耐圧等を変化させることができる。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の発明は、シートを組み合わせた基板を、プレゲル材の硬化温度まで加熱し、その後この基板を熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱する放熱用基板の製造方法であって、金型などを用いる成形工程は、プレゲル材の硬化に要する１〜１０分程度の短時間で終え、長時間を要する熱硬化性樹脂の硬化工程は、恒温炉に一度に大量に投入することにより生産効率を上げることができる。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からシートを形成し、それをプレゲル材の硬化温度まで加熱して半硬化状態にしたものを成形する方法であるが、プレゲル材が半硬化する前は粘度が低いため複雑な形状の成形には向くが半硬化させる時間が必要である。これに対して半硬化後の材料では、比較的簡単な形状の成形の際は型に押し当てる程度で短時間で行うことができるため生産効率を上げることができる。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の発明は、無機フィラーと粉体の熱硬化性樹脂との混合物は粉体であり、それを金型に投入して加熱加圧することにより容易に基板に成形することができ、わざわざシート化する手間を省くことができる。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の発明は、放熱用基板に導電パターンを備えることにより、回路基板の機能を持たせることができる。また、基板の面に接着、あるいは埋めこんだ金属板により放熱効果を高めることができる。尚、この放熱効果のみの場合は導電性の金属を用いる必要は必ずしもない。
【００１４】
本発明の請求項６に記載の発明は、放熱用基板に貫通孔が設けられ、銅メッキ、または、導電性樹脂組成物の充填によるスルーホールが形成されていることにより、回路部品内蔵両面基板が得られる。この場合、回路部品から発生する熱が、無機フィラーによって速やかに放熱されるため、信頼性の高い回路部品内蔵両面基板となる。また、半導体素子を含む多層の回路部品内蔵両面基板では、絶縁層を厚くとれるため、ノイズ低減、損失低減ができる。また、多層構造にすることによって、さらに高密度に回路部品を実装することができるだけでなく、回路を多段に分けることによって配線インダクタンスが低くなり、ノイズを低減することができる。また、スルーホールに導電性樹脂組成物が充填されているか又は銅メッキによるスルーホールが形成されており、さらにその両面に金属の配線パターンが形成されていることが好ましい。なぜなら、金属の配線パターンは電気抵抗が低いからである。
【００１５】
本発明の請求項７に記載の発明は、シートの片面に金属箔を接着し、前記シートを硬化後、当該シートの面に接着した金属箔の不要部分を除去して導電パターンを形成する、あるいはパターンの形状をした金属板をシートの片面に埋めこんだ後に当該シートを硬化させることを特徴とする請求項２，３のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法であって、半硬化状態で成形工程を終え、長時間を要する熱硬化性樹脂の硬化工程は恒温炉に一度に大量に投入することにより生産効率を上げることができる。
【００１６】
本発明の請求項８に記載の発明は、半硬化の状態で前記シートの表裏間を貫通する貫通孔を形成することを特徴とする請求項２，３のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法であって、半硬化状態で孔加工をすることにより貫通孔成形が行い易く、しかもその加工工具の磨耗を低減することができる。
【００１７】
本発明の請求項９に記載の発明は、放熱用基板が組み合わされる回路基板の部品が実装された状態と同じ形をした型に前記無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなるシートを押し当てて成形を行うことを特徴とする請求項２，３あるいは７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法であって、型にシートを押し当てて成形を行うことにより、切削などの加工手段に較べて複雑な形状をはるかに容易に成形できる。
【００１８】
本発明の請求項１０に記載の発明は、放熱用基板が組み合わされる回路基板の部品が実装された状態と同じ形をした型に前記無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなるシートを重ねた状態にし、これの上下を熱盤で挟んで加圧と加熱を行う請求項２，３あるいは７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法であって、型にシートを重ねた状態にし、これの上下を熱盤で挟んで加圧と加熱を行うことにより、低粘度になった混合物が型の隅々まで充填し、より精度の高い成形が可能になる。
【００１９】
本発明の請求項１１に記載の発明は、型の代わりに部品実装済みの回路基板を用いるものであり、型を作る手間が省けるとともに、そのまま硬化させることにより一体化することができ、成形後に接着する手間を省くことができる。また、１５０℃程度で加熱し、熱硬化によって結合させるため、耐熱性のある部品で成り立っている回路部品に大きなダメージを与えることなく硬化できる。
【００２０】
本発明の請求項１２に記載の発明は、放熱用基板では、熱硬化樹脂がエポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びシアネート樹脂から選ばれる少なくとも１つの熱硬化性樹脂を含む構成であり、これらの樹脂により耐熱性や電気絶縁性に優れた放熱用基板を実現することができる。
【００２１】
本発明の請求項１３に記載の発明は、放熱用基板では、前記無機フィラーがＡｌ_２Ｏ_３，ＭｇＯ，ＢＮ，ＡＩＮ及びＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１つの無機フィラーを含む構成であり、これらの無機フィラーを用いることによって、放熱性に優れた電気絶縁性基板が得られる。また、無機フィラーとしてＭｇＯを用いた場合は電気絶縁性基板の線膨張係数を大きくすることができる。また、無機フィラーとしてＳｉＯ_２を用いた場合は電気絶縁性基板の誘電率を小さくすることができる。また、無機フィラーとしてＢＮを用いた場合は電気絶縁性基板の線膨張係数を小さくすることができる。
【００２２】
本発明の請求項１４に記載の発明は、放熱用基板では、前記フィラーの平均粒子径が０．１〜１００μｍである構成としたものであり、粒子径が小さいほど樹脂への充填率が高くでき、熱伝導率を向上することができる。
【００２３】
本発明の請求項１５に記載の発明は、配線パターンが銅を主成分とする金属から成る放熱用基板であり、銅は熱伝導率が高く、また導電性も良いため微細なパターンが形成できる。また板厚を大きくすれば大電流を流すことができる。
【００２４】
本発明の請求項１６に記載の発明は、放熱用基板では、電気絶縁性基板の線膨張係数が８×１０^−６／℃〜２０×１０^−６／℃である構成としたもので、硬化後の反りや歪を小さくできるだけでなく、基板自体の熱膨張係数が導電パターンやスルーホールと近いため、基板が高温化した場合でも導電パターンやスルーホールの導電路が断線しにくくなる。
【００２５】
本発明の請求項１７に記載の発明は、放熱用基板の製造方法では、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物がドクターブレード法、コーター法、押し出し成形法、圧延法から選ばれるいずれか１つの方法でシート化した構成であり、シート化によってハンドリングが容易になる。
【００２６】
本発明の請求項１８に記載の発明は、放熱用基板では、混合物は、分散剤、カップリング剤、及び離型剤から選ばれる少なくとも１つの添加剤をさらに含む構成としたものであり、分散剤によって、熱硬化性樹脂中の無機フィラーを均一性よく分散させることができる。また、カップリング剤によって、熱硬化性樹脂と無機フィラーとの接着強度を高くすることができるため、電気絶縁性封止材の絶縁性を向上できる。離型剤によって、金型と混合物との離型性を向上できるため、生産性を向上できる。
【００２７】
本発明の請求項１９に記載の発明は、特に離型剤を塗ったフィルムは粘着性の高い樹脂シートを一時的にストックあるいは供給することを容易にすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における一実施例について、図面を用いて説明する。
【００２９】
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態における放熱用基板の製造工程図である。
【００３０】
図２（ａ）〜（ｇ）は、本発明の実施の形態における放熱用基板の片面に回路パターン、及びスルーホールを持つ場合を示す製造工程図である。
【００３１】
図３は同、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材の混合物の供給形態を示す側面図である。
【００３２】
なお、従来の技術で説明した構成部材については同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
【００３３】
図１（ａ）において、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなるシート状物１０２はＰＥＴフィルム１０１に貼り付けられており、これを図１（ｅ）に示す回路部品１０８を実装した回路基板１０７と同じ形をした型１０３に重ねられる。図１（ｂ）はこれが熱盤１０４と１０５により上下から挟まれ、加熱加圧される状態を示す。この時、一般的なエポキシ樹脂などは温度を硬化温度より高くあげないと金型から取り出せるに十分な硬さにならないが、液状の硬化性組成物に熱可塑性樹脂パウダー、すなわちプレゲル材を混合した場合、その熱可塑性樹脂パウダーは液状の硬化性組成物の液状成分を吸収して膨潤し、組成物全体としては固形状を示す。この固形状硬化組成物を用いた場合、金型全体を硬化温度以下の状態で、型から取り外すに十分な硬度にすることができ、短時間で金型を開くことができ生産性が上がる。図１（ｃ）は、このようにして半硬化状態で型から取り外した状態を示す。その後、図１（ｄ）に示すようにはみ出した余分な部分をＰＥＴフィルムごとカッター１０６により切断した後、ＰＥＴフィルムを剥がしてから恒温槽で硬化温度以上の温度で加熱して十分硬化させる。ＰＥＴフィルムをつけたまま硬化させると密着して取れなくなる可能性がある。図１（ｅ）は、そのようにして硬化させてつくった放熱用基板１０９を、回路部品１０８を実装した回路基板１０７に、熱伝導性接着剤１１０を用いて組み合わせている状態を示す。回路基板１０７は、導電パターン１１１が貼り付けられている。このように放熱用基板１０９を回路基板１０７に組み合わせることにより、回路基板１０７上に実装された回路部品１０８の発熱による熱量が、放熱用基板１０９全体に均一に伝達されるため、発熱した回路部品が高温になるのを防ぐことができ、回路基板１０７の信頼性を高めることができる。この場合、放熱用基板１０９は回路部品１０８の全ての天面に当接させる必要はなく、高温になる部品に限ってもよい。
【００３４】
図２（ａ）〜（ｇ）は放熱用基板に回路基板の機能も持たせた場合の製造工程である。図２（ａ）は、シート状物１０２が銅箔２０１に貼り付けられている状態で、型１０３に重ねられる状態を示す。図２（ｂ）〜（ｄ）は、図１で示した製造工程と基本的に同じである。図２（ｅ）は、半硬化状態で打抜きパンチ２０２によりスルーホール２０３を空けた状態を示す。この時、穴加工はドリルでも可能である。図２（ｆ）は、硬化させた後に、銅箔２０１を化学処理により回路パターンを形成し、スルーホール２０３には銅メッキを施した状態を示す。図２（ｇ）は、以上のようにしてつくられた放熱用基板１０９を、回路基板１０７に組み合わせた状態である。この時、回路基板１０７に立てられた導通ピン２０４は、スルーホール２０３に圧入されており、放熱用基板１０９上の回路パターンと回路基板１０７とが電気的に導通した状態になっている。いわば多層（この場合は２層）の部品内蔵モジュールである。２層にすることによりいくつかの利点が生まれる。例えば、電源モジュールの場合、平面上で同一ラインを接続するとループが生じ、ノイズが発生しやすいが、上下二段にすると配線インダクタンスが低減され、ノイズが減る。また、各層がそれぞれ＋側、−側で、その間の電気絶縁性の放熱用基板１０９の厚みは０．２〜１０ｍｍと、従来技術の金属ベース板に印刷された数１００μｍの絶縁層と比べて格段に厚いため、ノイズや損失の低減に大きな効果がある。また、二層構造を採ることにより高密度実装化が可能となる。
【００３５】
図３は、無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む混合物の供給形態を示す図である。無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物よりなるシート状物１０２は、押し出し成形法によってシート状に成形され、ＰＥＴフィルム１０１の上に造膜されている。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明による、放熱用基板は、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなり、それが加熱される前は軟体であるため、容易にそれが組み合わされる回路基板の実装部品の天面に当接するように成形することができる。したがって、多くの実装部品の天面に接触することによる高い放熱効果と、成形方式による複雑な形状を容易に形成することができ、生産性の高い製造が可能になる。さらに、無機フィラーの材質を選択することによって、回路の特性に合わせて、電気絶縁性を持った放熱用基板の熱伝導度、線膨張係数、誘電率、絶縁耐圧等を変化させることができる。また、放熱用基板上面を平坦にすることにより、真空チャックによる吸引が可能になり、自動実装も実現できる。また、多層構造とすることにより、高密度に回路部品を実装することができ、しかも放熱性も高い上に、配線インダクタンスが低減されるためノイズも低減する。したがって、本発明の放熱用基板では、高密度に回路部品が実装され、且つ、モジュール自体の自動実装も可能にした、信頼性が高い回路部品内蔵モジュールが得られる。さらに、無機フィラーを選択することによって、電気絶縁性基板の熱伝導度、線膨張係数、誘電率などを制御することが可能である。したがって、本発明の放熱用基板は、線膨張率を半導体素子とほぼ同じにすることが可能であるため、半導体素子を内蔵した回路部品内蔵モジュール形成用として好ましい。また、熱伝導度を向上させることができるため、放熱を必要とする半導体素子などを内蔵した回路部品内蔵モジュール形成用として好ましい。さらに誘電率も低くすることができるため、高周波回路用の回路部品内蔵モジュール形成用として好ましい。さらに、電気絶縁性基板の厚みを厚くとれるためノイズや損失を低くすることができる。
【００３７】
また、本発明による、放熱用基板の製造方法では、上記回路部品内蔵モジュールを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態における放熱用基板の製造工程図
【図２】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の実施の形態における放熱用基板の片面に回路パターン、及びスルーホールを持つ場合を示す製造工程図
【図３】同、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材の混合物の供給形態を示す側面図
【図４】従来の放熱用基板を示す概略側面図
【符号の説明】
１０１　ＰＥＴフィルム
１０２　シート状物
１０３　型
１０４　熱盤（上）
１０５　熱盤（下）
１０６　カッター
１０７　回路基板
１０８　部品
１０９　放熱用基板
１１０　熱伝導性接着剤
１１１　導電パターン
２０１　銅箔
２０２　打抜きパンチ
２０３　スルーホール
２０４　導通ピン
４０１　放熱板

Claims

回路基板に有した少なくとも１つの実装部品の天面に当接する面を備えた無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなる放熱用基板。
無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からシートを形成し、前記シートと組み合わせる回路基板の少なくとも１つの実装部品の天面に当接する面を備えるように前記シートの片面を成形しながら前記シートを前記プレゲル材の硬化温度まで加熱し、その後前記シートを前記熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱する工程を有した放熱用基板の製造方法。
無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からシートを形成し、前記シートをプレゲル材の硬化温度まで加熱して半硬化状態にし、回路基板に有した少なくとも１つの実装部品の天面に当接する面を備えるように前記シートの片面を成形し、その後前記シートを熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱する工程を有した放熱用基板の製造方法。
無機フィラーと粉体の熱硬化性樹脂との混合物を、回路基板に有した少なくとも１つの実装部品の天面に当接する面を備える基板に成形した後、前記基板を熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱するか、あるいは前記混合物を加熱加圧して低粘度状態で前記回路基板の少なくとも１つの実装部品の天面に当接する面を備える基板の形をした金型に注入し、その後硬化させる放熱用基板の製造方法。
回路基板に有した少なくとも１つの実装部品の天面に当接する面を持ち、また、少なくとも１つの面に導電パターンを備え、前記導電パターンは金属箔の不要部分を除去して形成したものであるか、あるいはパターンの形状をした金属板を埋めこんだ、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなる放熱用基板。
貫通孔に銅メッキ、または、導電性樹脂組成物を充填したスルーホールを有した請求項５に記載の放熱用基板。
シートの片面に金属箔を接着し、前記シートを硬化後、当該シートの面に接着した金属箔の不要部分を除去して導電パターンを形成する、あるいはパターンの形状をした金属板をシートの片面に埋めこんだ後に当該シートを硬化させることを特徴とする請求項２，３のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
半硬化状態でシートの表裏間を貫通する貫通孔を形成することを特徴とする請求項２，３のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
部品が実装された回路基板と同じ形を有した型に無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなるシートを押し当てて成形を行うことを特徴とする請求項２，３及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
部品が実装された回路基板と同じ形を有した型に無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなるシートを重ねた状態にし、これの上下を熱盤で挟んで加圧と加熱を行う請求項２，３及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
部品実装している回路基板に無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなるシートを部品実装側に重ね、前記回路基板と前記シートの上下を熱盤で挟んで加圧と加熱を行う請求項２，３及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びシアネート樹脂から選ばれる少なくとも１つの熱硬化性樹脂を含む請求項２，３，４及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
無機フィラーは、Ａｌ_２Ｏ_３，ＭｇＯ，及びＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１つの金属酸化物を含む請求項２，３，４及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
無機フィラーの粒径が０．１〜１００μｍである請求項２，３，４及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
導電パターンは、銅を主成分とする金属箔から成る請求項５に記載の放熱用基板。
放熱用基板の線膨張係数が８×１０^−６／℃〜２０×１０^−６／℃である請求項２，３，４及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物が、ドクターブレード法、コーター法、押し出し成形法、圧延法から選ばれるいずれか１つの方法でシート化されている請求項２，３及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
混合物は、分散剤、カップリング剤、及び離型剤から選ばれる少なくとも１つの添加剤を含む請求項２，３，４及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。
シート化された混合物が、フィルム上に貼り付けられて供給されることを特徴とする請求項２，３及び７，８のいずれか１つに記載の放熱用基板の製造方法。