JP2004179309A - プリント回路基板の放熱構造とその製造方法 - Google Patents

プリント回路基板の放熱構造とその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】簡易で低コストかつ、高い放熱性を持つプリント回路基板の放熱構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】発熱部品１が搭載可能に回路パターンが設けられ、発熱部品１を搭載する部分に発熱部品搭載面から反対面への貫通孔２が形成されたプリント回路基板３の放熱構造であって、プリント回路基板３の基材よりも熱伝導率の高い材料からなり、貫通孔２に挿入可能に加工された形状を有する放熱部材５が、貫通孔内に接着部材４を介して装着されていること。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱部品が実装されるプリント回路基板の放熱構造とその製造方法に関し、特に発熱部品の放熱性を向上させたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、実装した電子部品（発熱部品）の発熱に対する放熱構造をもつ基板として次のようなものがあった。まず、図９はスルーホールを設けたプリント回路基板の放熱構造の断面図であり、１は電子部品、２はスルーホール（貫通孔）、３はプリント回路基板を示し、電子部品１を実装する部分のプリント回路基板３に、貫通孔内壁に導体を形成したスルーホール２を設けることにより製作される。電子部品１が発した熱は、スルーホール２を介して、プリント回路基板３下側のＧＮＤ面の導体、若しくは放熱フィン（図では省略）まで伝搬され、放熱される。また、スルーホール２内に熱伝導率の高い樹脂ペーストを充填し硬化させることで樹脂ペーストを介して熱を伝え放熱性を上げることも行なわれている。
【０００３】
次に、図１０は金属芯の基板によるプリント回路基板の放熱構造の断面図で、１は電子部品、３０は導体層、３１は絶縁体層、３２は金属芯を示す。金属芯３２に、絶縁体層３１として樹脂等を塗布し、さらにその上に導体層３０による回路を形成して、金属芯３２による基板を製作する。絶縁体層３１は一般には熱伝導率の低い樹脂であるが、薄く形成されているため、熱抵抗を低く抑えることができる。電子部品１から発した熱は、絶縁体層３１を通り、基板の金属芯３２に伝搬され、放熱される。
【０００４】
その他の放熱構造の例として、絶縁基板の高発熱部品搭載部位のスルーホールに銅ペーストを充填し乾燥、熱硬化し高熱伝導金属体を埋設状態に形成した後、絶縁基板の表、裏面に高熱伝導絶縁層を形成することで、部品の熱を前記高熱伝導金属体を介して裏面側へ放熱する構造およびその製造方法が公開されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２５９６６９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
まず、図９の放熱構造では、スルーホールを空洞にした状態では、高い放熱効果を得ることができない。また、より高い放熱効果を得るため、スルーホールに熱伝導率の高い樹脂ペースト等を充填するが、樹脂ペーストを充填する工程で、気泡等が入ると、樹脂の未充填やボイドが発生し熱抵抗が高くなる。これを防ぐためには、高価な機材、材料を使用せざるを得ず、コストがかかる。
【０００７】
次に、図１０の構造は、図９の構造より安定して生産することができ、かつ、放熱効果も図９の構造と比較し、熱の伝搬効率がよいため、より大きな放熱効果が期待できるが、通常のプリント回路基板と比較し、材料が高価なため、高コストになる。
【０００８】
また、特許文献１の構造では、高熱伝導金属体としてスルーホールに銅ペーストを充填するものであるため、図９の構造と同様に気泡が生じる可能性があり、さらに平面化のために高熱伝導絶縁層の形成や、充填時に乾燥、熱硬化させる工程が必要であるなど構造、工程とも複雑になってしまう問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決し、簡易で安価かつ、高い放熱性を持つプリント回路基板の放熱構造およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発熱部品が搭載可能に回路パターンが設けられ、前記発熱部品を搭載する部分に前記発熱部品搭載面から反対面への貫通孔が形成されたプリント回路基板の放熱構造であって、前記プリント回路基板の基材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記貫通孔に挿入可能に加工された形状を有する放熱部材が、前記貫通孔内に接着部材を介して装着されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記プリント回路基板の前記放熱部材上には、前記プリント回路基板よりも熱伝導率の高い材料からなる伝熱プレートが接着されており、前記伝熱プレート上に実装する発熱部品が発した熱を前記伝熱プレートを介して前記放熱部材へ放熱させるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、発熱部品が搭載可能に回路パターンが設けられ、前記発熱部品を搭載する部分に前記発熱部品搭載面から反対面への貫通孔が形成されるとともに、該貫通孔内に放熱部材が装着されたプリント回路基板の放熱構造の製造方法であって、前記プリント回路基板に形成した前記貫通孔の一方の開口部を耐熱テープで塞ぐ工程と、前記プリント回路基板の基材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記貫通孔に挿入可能に加工された形状を有する前記放熱部材を、前記貫通孔の他方の開口部から前記貫通孔へ挿入する工程と、前記貫通孔と前記放熱部材との隙間に接着部材を挿入し硬化させることにより前記放熱部材を固定する工程と、前記耐熱テープを前記プリント回路基板から取除く工程とからなることを特徴とする。
【００１３】
また、発熱部品が搭載可能に回路パターンが設けられ、前記発熱部品を搭載する部分に前記発熱部品搭載面から反対面への貫通孔が形成されるとともに、該貫通孔内に放熱部材が装着されたプリント回路基板の放熱構造の製造方法であって、前記プリント回路基板の基材よりも熱伝導率の高い材料からなる前記放熱部材が前記貫通孔内で支持されるように該貫通孔と前記放熱部材の形状を加工し、前記貫通孔に前記放熱部材を挿入し仮固定する工程と、前記貫通孔と前記放熱部材との隙間に接着部材を挿入し硬化させることにより前記放熱部材を固定する工程とからなることを特徴とする。
【００１４】
また、前記貫通孔と前記放熱部材との隙間に接着部材を挿入し硬化させることにより放熱部材を固定する工程は、前記貫通孔と前記放熱部材との隙間とともに該放熱部材上にも前記接着部材を被着させ、前記放熱部材上に発熱部品を搭載した後、前記接着部材を硬化させることで、前記貫通孔と前記放熱部材、および該放熱部材と前記発熱部品とを同時に一括固定することを特徴とする。
【００１５】
このような構造にすることで、発熱部品から発する熱は、熱伝導率の高い放熱部材（および伝熱プレート）を介して、ＧＮＤ面の導体、若しくは放熱フィンなどまで伝搬されるため、高い放熱性を実現することができる。また、通常の部品実装工程で製造が可能であるとともに、貫通孔と放熱部材の形状を工夫することで、耐熱テープを使用する工程をなくすことも出来る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、電子部品を実装した本発明のプリント回路基板の放熱構造の断面を示した例である。１は半導体チップを樹脂モールドで組み立てた電子部品、２はスルーホール、３はガラスエポキシあるいはその他の絶縁材料の基材からなる基板の表面に銅箔などによる回路パターン（図では省略）を設けたプリント回路基板、４ははんだあるいは銀ペーストなどの金属ろう材（接着部材）、５は接着部材との接着性を上げるため例えば一般的な黒化処理（表面に亜酸化銅の皮膜を形成）などの表面処理を施した銅で形成された金属プレート（放熱部材）を示す。電子部品１，スルーホール２，金属プレート５は、接着部材である金属ろう材４によって接合されている。電子部品１から発せられた熱は、金属プレート５を伝わり、プリント回路基板３の裏面へと伝えられ、空気中に放散される。熱の伝導は、プリント回路基板３の基材より熱伝導率の高い物質で形成した金属プレート５によって行われるため、熱抵抗は極めて低くでき、電子部品１の温度上昇を最小限に抑えることが可能となる。なお、金属プレート５、スルーホール２の形状は、図で示す形状に拘らず矩形など種々変更可能である。
【００１７】
図２は、図１で示した電子部品１を実装したプリント回路基板３を、装置の筐体６に組み入れた断面の説明図である。電子部品１の熱は熱伝導率の高い金属プレート５を通して、プリント回路基板３の裏面に伝えられた後、筐体６を通り放熱される。図２の実施例以外にも、プリント回路基板３の金属プレート５に各種形状の放熱フィンを接続することで効率よく放熱させることができる。
【００１８】
図３（ａ）〜（ｅ）に、本発明の構造を製作するプロセスを示す。はじめに、表面に回路パターン（図示せず）が形成されたプリント回路基板３を用いて、スルーホール２の電子部品実装面と反対側の開口に粘着性を有する耐熱テープ７を貼り、スルーホール２を塞ぐ（図３（ａ））。そして、あらかじめスルーホール２に挿入できる形状に加工された金属プレート５をスルーホール２に挿入する（図３（ｂ））。
【００１９】
次に、金属ろう材４としてはんだなどを使ってスクリーン印刷を行うか、または銀ペーストを塗布すること等により、スルーホール２と金属プレート５の間、および金属プレート５上に金属ろう材４を供給する（図３（ｃ））。スルーホール２と金属プレート５の隙間に入り込んだ金属ろう材４は気泡が残っていたとしても、金属プレート５により熱を放熱するため、熱抵抗には影響せず、また、気泡は極わずかであり電子部品等に直接接していないため信頼性への影響もない。なお、金属ろう材４の代わりに樹脂ペーストなどを使用することもできる。
【００２０】
次に、電子部品１を金属プレート５上に実装する（電子部品１以外の部品についての実装は省略している）。そして、はんだリフロー装置又はオーブン、ホットプレート等を使用して、プリント回路基板に合った加熱条件で、金属ろう材４を、溶融、硬化させ、電子部品１、スルーホール２、金属プレート５を同時に接続する（図３（ｄ））。
【００２１】
最後にプリント回路基板３から耐熱テープを剥す（図３（ｅ））。上記プロセスにおいて、耐熱テープ７は上記工程における熱履歴（例えば、はんだの場合２００℃前後）に耐えうるものである必要がある。具体的には、ポリイミド基材の耐熱テープ、紙基材の耐熱テープ等が使用できる。
【００２２】
図４、図５は本発明の他の実施例であり、スルーホール２の内壁面に突起を施したり（図４）、金属プレート５とスルーホール２をテーパ形状にする（図５）などして、金属プレート５の下面をプリント回路基板３の下面の位置で止めスルーホール２内で支持できるようにしたものである。この構造では、スルーホール２内で金属プレートを仮固定するための耐熱テープを使用しなくてすみ、金属ろう材４をプリント基板３下部から流出しない程度にスルーホール２と金属プレート５の間、および金属プレート５上に適量供給することで、図３（ａ）と（ｅ）の工程は不要になる。
【００２３】
図６（ａ）はプリント回路基板への電子部品の実装の具体例として、半導体などのベアチップ（発熱部品）を実装する方法の説明図である。また、図６（ｂ）は実装後の断面図である。２１は銅箔で形成した導体回路層、２２は銅箔で形成した放熱ランド層、２３は銅などの金属プレート５と同様に熱伝導率の高い材料で形成した放熱チッププレート（伝熱プレート）、２４はベアチップ、２５はボンディングワイヤ、２６はキャップを示す。この方法は、放熱チッププレート２３の実装までは図３で述べた工程と同様の一連の部品実装工程において電子部品１の代わりに放熱チッププレート２３を金属プレート５にはんだなどで接着することで組み立てられる。
【００２４】
そして、放熱チッププレート２３の実装後、ベアチップ２４を銀ペーストなどを使って放熱チッププレート２３に実装し、ベアチップ２４と導体回路層２１をボンディングワイヤ２５で接続し、キャップ２６をプリント回路基板３に取り付けることで形成される。
【００２５】
また、ベアチップ２４を放熱チッププレート２３へフリップチップ実装等を行う場合（図７）は、ベアチップ２４に形成したバンプ２７を、絶縁基材上に回路パターンを形成した放熱チッププレート２３へ接続させる。図では省略しているが、ベアチップ２４と放熱チッププレート２３の間を樹脂で覆ってもよい。これによりベアチップ２４の熱は熱伝導率の高い放熱チッププレート２３と金属プレート５を通り放熱させることができる。
【００２６】
図８（ａ）は電子部品の別の実装形態の例として、電子部品の裏面を絶縁する場合の実装方法の説明図であり、図８（ｂ）は実装後の断面図である。２８は非金属放熱プレート、２９はプリント回路基板加工穴（貫通孔でスルーホール内壁に導体層のないもの）を示す。複数のリードを有する樹脂モールドパッケージの電子部品１の裏面と、非金属放熱プレート２８、プリント回路基板加工穴２９を非導電性で、かつ、熱伝導率の高い樹脂（高熱伝導率のシリコーン樹脂等）で接続し、電子部品１のリードと導体回路層２１を金属ろう材等で接続することで形成される。非金属放熱プレート２８の材質は、金属以外の良熱伝導体、例えば、電子工業用セラミックスの使用が可能である。
【００２７】
以上、実施例について説明したが、本発明の放熱構造は、発熱部品１個あたり複数の貫通孔と放熱部材を用いて作ってもよい。また用途として、貫通孔、放熱部材、接着部材を絶縁材料で形成して放熱専用で使用することも、放熱部材や接着部材を電気伝導性の良いもので形成、あるいは、貫通孔の内壁面にメッキ層を形成することで電気的接続用として使用したりすることも可能である。さらに、プリント回路基板は回路パターンが片面、両面、多層などあらゆる基板に適用できる。一方、製造方法として、単一基板に本発明の放熱構造を複数個形成し、切断後、それぞれ装置筐体に組み込み使用することも可能である。また、本発明の構造は、一般的な冷熱衝撃試験でもクラック等の発生はなく、信頼性も十分に保持できるものである。
【００２８】
【発明の効果】
発熱部品が搭載可能に回路パターンが設けられ、前記発熱部品を搭載する部分に前記発熱部品搭載面から反対面への貫通孔が形成されたプリント回路基板の放熱構造であって、前記プリント回路基板の基材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記貫通孔に挿入可能に加工された形状を有する放熱部材が、前記貫通孔内に接着部材を介して装着されているため、発熱部品から発せられる熱は、熱伝導率の高い金属プレートなどの放熱部材を介して、効率よく、プリント回路基板のＧＮＤ面、若しくはプリント回路基板と接続された、放熱フィン等を介して、放熱される。また、放熱部材はあらかじめ加工したものを使うため、平坦性や気泡の問題もない。このため、基板部分の熱抵抗は、きわめて低く抑えることができる。
【００２９】
また、前記プリント回路基板の前記放熱部材上には、前記プリント回路基板よりも熱伝導率の高い材料からなる伝熱プレートが接着されており、前記伝熱プレート上に実装する発熱部品が発した熱を前記伝熱プレートを介して前記放熱部材へ放熱させるようにしているため、ベアチップなどの発熱部品からの熱を、熱伝導率の高い伝熱プレートと放熱部材の組み合わせにより効率よく放熱でき、発熱部品の温度上昇を抑えることができる。
【００３０】
また、放熱構造の製造方法は、プリント回路基板に形成した貫通孔の一方の開口部を耐熱テープで塞ぐ工程と、前記プリント回路基板の基材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記貫通孔に挿入可能に加工された形状を有する前記放熱部材を、前記貫通孔の他方の開口部から前記貫通孔へ挿入する工程と、前記貫通孔と前記放熱部材との隙間に接着部材を挿入し硬化させることにより前記放熱部材を固定する工程と、前記耐熱テープを前記プリント回路基板から取除く工程とからなるため、一般的なプリント回路基板の製造工程と同じ作業工程で、放熱性の良い基板を製造できる。また、あらかじめ加工した放熱部材を使用するため、基板の平坦性を確保するための層や、気泡を防ぐ設備なども必要ない。このため、設備コストがかからず、材料コストも低く抑えることができる。
【００３１】
また、放熱構造の製造方法は、プリント回路基板の基材よりも熱伝導率の高い材料からなる放熱部材が貫通孔内で支持されるように該貫通孔と前記放熱部材の形状を加工し、前記貫通孔に前記放熱部材を挿入し仮固定する工程と、前記貫通孔と前記放熱部材との隙間に接着部材を挿入し硬化させることにより前記放熱部材を固定する工程とからなるため、耐熱テープおよびその貼り付けと取除く工程が不要になり、より簡単な工程で製造できる。
【００３２】
また、前記貫通孔と前記放熱部材との隙間に接着部材を挿入し硬化させることにより放熱部材を固定する工程は、前記貫通孔と前記放熱部材との隙間とともに該放熱部材上にも前記接着部材を被着させ、前記放熱部材上に発熱部品を搭載した後、前記接着部材を硬化させることで、前記貫通孔と前記放熱部材、および該放熱部材と前記発熱部品とを同時に一括固定するため、それぞれに硬化させる工程を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプリント回路基板の放熱構造の断面の模式図である。
【図２】本発明のプリント回路基板を装置筐体に組み入れた断面の模式図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、本発明のプリント回路基板の放熱構造を製作するプロセスの説明図である。
【図４】本発明のスルーホールの内壁面に突起を施したプリント回路基板の放熱構造の断面の模式図である。
【図５】本発明の金属プレートとスルーホールをテーパ形状にしたプリント回路基板の放熱構造の断面の模式図である。
【図６】（ａ）は本発明のプリント回路基板の放熱構造にベアチップなどを実装する方法の説明図で、（ｂ）は実装後の断面の模式図である。
【図７】本発明のプリント回路基板の放熱構造にベアチップをフリップチップ実装した後の断面の模式図である。
【図８】（ａ）は本発明のプリント回路基板の放熱構造に裏面を絶縁する必要がある場合の電子部品の実装方法の説明図で、（ｂ）は実装後の断面の模式図である。
【図９】従来のスルーホールを設けたプリント回路基板の放熱構造の断面の模式図である。
【図１０】従来の金属芯の基板によるプリント回路基板の放熱構造の断面の模式図である。
【符号の説明】
１ 電子部品
２ スルーホール
３ プリント回路基板
４ 金属ろう材
５ 金属プレート
６ 筐体
７ 耐熱テープ
２１ 導体回路層
２２ 放熱ランド層
２３ 放熱チッププレート
２４ ベアチップ
２５ ボンディングワイヤ
２６ キャップ
２７ バンプ
２８ 非金属放熱プレート
２９ プリント回路基板加工穴
３０ 導体層
３１ 絶縁体層
３２ 金属芯

Claims (5)

  1. 発熱部品が搭載可能に回路パターンが設けられ、前記発熱部品を搭載する部分に前記発熱部品搭載面から反対面への貫通孔が形成されたプリント回路基板の放熱構造であって、
    前記プリント回路基板の基材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記貫通孔に挿入可能に加工された形状を有する放熱部材が、前記貫通孔内に接着部材を介して装着されていることを特徴とするプリント回路基板の放熱構造。
  2. 前記プリント回路基板の前記放熱部材上には、前記プリント回路基板よりも熱伝導率の高い材料からなる伝熱プレートが接着されており、前記伝熱プレート上に実装する発熱部品が発した熱を前記伝熱プレートを介して前記放熱部材へ放熱させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のプリント回路基板の放熱構造。
  3. 発熱部品が搭載可能に回路パターンが設けられ、前記発熱部品を搭載する部分に前記発熱部品搭載面から反対面への貫通孔が形成されるとともに、該貫通孔内に放熱部材が装着されたプリント回路基板の放熱構造の製造方法であって、
    前記プリント回路基板に形成した前記貫通孔の一方の開口部を耐熱テープで塞ぐ工程と、
    前記プリント回路基板の基材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記貫通孔に挿入可能に加工された形状を有する前記放熱部材を、前記貫通孔の他方の開口部から前記貫通孔へ挿入する工程と、
    前記貫通孔と前記放熱部材との隙間に接着部材を挿入し硬化させることにより前記放熱部材を固定する工程と、
    前記耐熱テープを前記プリント回路基板から取除く工程とからなることを特徴とするプリント回路基板の放熱構造の製造方法。
  4. 発熱部品が搭載可能に回路パターンが設けられ、前記発熱部品を搭載する部分に前記発熱部品搭載面から反対面への貫通孔が形成されるとともに、該貫通孔内に放熱部材が装着されたプリント回路基板の放熱構造の製造方法であって、
    前記プリント回路基板の基材よりも熱伝導率の高い材料からなる前記放熱部材が前記貫通孔内で支持されるように該貫通孔と前記放熱部材の形状を加工し、前記貫通孔に前記放熱部材を挿入し仮固定する工程と、
    前記貫通孔と前記放熱部材との隙間に接着部材を挿入し硬化させることにより前記放熱部材を固定する工程とからなることを特徴とするプリント回路基板の放熱構造の製造方法。
  5. 前記貫通孔と前記放熱部材との隙間に接着部材を挿入し硬化させることにより放熱部材を固定する工程は、前記貫通孔と前記放熱部材との隙間とともに該放熱部材上にも前記接着部材を被着させ、前記放熱部材上に発熱部品を搭載した後、前記接着部材を硬化させることで、前記貫通孔と前記放熱部材、および該放熱部材と前記発熱部品とを同時に一括固定することを特徴とする請求項３または４記載のプリント回路基板の放熱構造の製造方法。
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