JP2004506318A - ヒートシンクへの印刷回路基板の接着 - Google Patents

Abstract

ヒートシンク（２４）に接着された印刷回路基板（１０）の境界における空隙（２６）は、前記印刷回路基板（１０）に搭載された、熱を放出する部品（１２）からヒートシンク（２４）への熱伝達を妨げる。これによって、所定の印刷回路基板（１０）に搭載される電子部品（１２）の密度が制限される。このような問題は、印刷回路基板（１０）をヒートシンク（２４）に固定している接着剤を、感圧性接着剤層（２２）および熱硬化性接着剤層（２８）から形成することにより、解消することができる。前記熱硬化性接着剤によって、前記空隙が埋められ、これによって、熱を放出する部品（１２）からヒートシンク（２４）への熱伝達率が増大され、この結果、熱の放出（３０）が増大する。

Description

【０００１】
【技術分野】
印刷回路基板とヒートシンクとが互いに接着された印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリに関し、特に、印刷回路基板をヒートシンクに接着する方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
長年にわたって電子部品の小型化が要求されてきたことによって、所定の寸法の印刷回路基板上に搭載される電子部品の数が増大している。このような長年の動向によって、放熱がいっそう重要となってきている。現在使用されている多くの印刷回路基板には、何百個もの電子部品が搭載されており、これらは、プリントされた導電体層（多くの場合、銅トレースと称される）により相互に接続されている。このような電子部品の多くは、多量の熱を放出するものであるため、このような熱を放散させることによって、印刷回路基板およびこれに搭載された部品の耐用期間の短縮化を回避しなければならない。
【０００３】
この結果、従来技術では、印刷回路基板がヒートシンク（通常は、アルミニウム、もしくは伝導度が大きい他の金属片）の上に取り付けられ、このヒートシンクによって、印刷回路基板上の、熱を放出する部品からの熱が吸収され、大気中もしくはヒートシンクと熱交換関係にある熱交換用流体へとこの熱が放出されるようにされてきた。頻繁には用いられないが、印刷回路基板上の、熱を放出する部品とヒートシンクとの間の境界部には、いわゆるサーマルパッドが挿入され、これによって、熱を放出する部品からヒートシンクへの熱伝達率が改善される。
【０００４】
従来技術では、一般的に、感圧性接着剤（通常は、アクリルをベースとした感圧性接着剤）によって、印刷回路基板がそれぞれ対応するヒートシンクに固定されてきた。このような材料によって、適切な接着力および比較的良好な熱伝達率が得られるとともに、振動を受けるような環境で印刷回路基板を用いる場合に適度な振動絶縁効果が得られる。しかし、このような材料は流動性が特に優れている訳ではなく、さらに、銅トレースおよびサーマルパッドが通常は印刷回路基板の面から０．００２〜０．００３インチ程度突出するため、感圧性接着剤が存在しないポケットが、互いに隣接する銅トレース間、サーマルパッド間、もしくは銅トレースとサーマルパッドとの間に生じる。
【０００５】
このようなポケットつまり空隙は、断熱領域として作用するため、熱を放出する部品とヒートシンクとの間の熱伝達率が減少する。さらに、空隙が生じると、このような空隙が存在しなければ得られた分の、ヒートシンクと印刷回路基板との間の接着部分が損なわれる。
【０００６】
残念なことに、印刷回路基板とヒートシンクとの境界に配置された感圧性接着剤を、組み立て工程中に真空状態に置くことによっては、このような空隙を効果的に減少させることはできない。このような空隙は、通常、印刷回路基板とヒートシンクとの間のスペースの４０％以上を占めるが、このような空隙は埋められない。上述したように感圧性接着剤の流動性は特に大きい訳ではなく、さらに、銅トレースおよびサーマルパッドがラビリンスシールのように作用することによって、銅トレース間、サーマルパッド間、もしくは銅トレースとサーマルパッドとの間のポケット内に存在する空気や他の気体が真空引きにより除去されることを妨げるためである。
【０００７】
結果として、印刷回路基板およびヒートシンクが組み合わせられても、電子部品から放出される熱を要求される速度で放散させるのに要する程度にまで熱伝達率を増大させることができないため、所定の印刷回路基板上に搭載される電子部品の密度は、制限される。
【０００８】
本発明は、以上の問題を解消することに関する。
【０００９】
【発明の開示】
本発明の主な目的は、印刷回路基板をヒートシンクに接着するための斬新でかつ改良された方法を提供することである。本発明の主な目的は、さらに、斬新でかつ改良された接着型印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリを提供することである。
【００１０】
本発明の一形態によると、印刷回路基板をヒートシンクに接着する方法は、ａ）感圧性接着剤層が前記ヒートシンクに接触しかつ熱硬化性接着剤層が前記印刷回路基板に接触するように、少なくとも１つの感圧性接着剤層および少なくとも１つの熱硬化性接着剤層を前記ヒートシンクと前記印刷回路基板との間に配置するステップと、ｂ）ステップａ）で得られたアッセンブリを真空状態で圧縮して、接着剤層とヒートシンクと印刷回路との間の気体を除去するステップと、ｃ）ステップａ）で得られたアッセンブリをステップｂ）の間もしくはその後で加熱して、熱硬化性接着剤を硬化させるステップと、を有する。
【００１１】
好適な実施例によると、前記層を含む接着剤複合材料を前記印刷回路基板と前記ヒートシンクとの間に配置することによって、ステップａ）を実行する。
【００１２】
好ましくは、真空状態で前記アッセンブリを圧縮するステップと前記アッセンブリを加熱するステップとを同時に行う。
【００１３】
好適な実施例によると、前記印刷回路基板を接着剤複合材料の上に配置する前に、接着剤複合材料を前記ヒートシンク上で圧延もしくは別の方法で加圧して、構成要素間の気体を除去する。
【００１４】
本発明の他の形態によると、印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリは、印刷回路基板と、前記印刷回路基板から離間された印刷回路基板受容面を有するヒートシンクと、を備えており、少なくとも１つの感圧性接着剤層が前記ヒートシンクに接着されている。さらに、前記アッセンブリの前記印刷回路基板には、少なくとも１つの熱硬化性接着剤層が接着されている。これらの接着剤の層は、互いに接着されているとともに、前記ヒートシンクと前記印刷回路基板との間のスペースを充填しており、この充填されたスペースには、気体ポケットつまり空隙が実質的に存在しない。
【００１５】
他の目的および利点は、以下の詳細な説明および付随の図面から明確となるだろう。
【００１６】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照すると、印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリの従来技術の構造が示されている。この印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリは、従来技術の構造の印刷回路基板を備えており、この印刷回路基板の一方の面１４には、熱を放出する電子部品１２が少なくとも１つ搭載されている。周知のように、印刷回路基板１０は、その上に搭載された様々な電子部品の間の導電体として機能する銅トレース（これらのうちの１本だけが図示されている）を備えている。図１に示された銅トレース１６は、印刷回路基板１０の面１４の反対側の面１８から幾らか突出していることがわかる。上述したように、銅トレースは、通常、０．００２〜０．００３インチだけ突出している。
【００１７】
さらに、印刷回路基板１０の上には、一般的構造のサーマルパッド２０が配置されており、通常、これは、銅などの薄膜からなる。
【００１８】
印刷回路基板１０の面１８に隣接するように、アクリルをベースとした感圧性接着剤層２２が配置されており、この感圧性接着剤層２２は、銅トレース１６およびサーマルパッド２０に接触し、これらを一般的なヒートシンク２４に結合している。通常、上述したように、銅トレース１６の間、および／またはサーマルパッド２０の間、もしくは銅トレース１６とサーマルパッド２０との間には、空隙２６が生じる。このことは、感圧性接着剤２２の流動性が特に大きい訳ではないため、従来のプロセスでは、空隙２６を感圧性接着剤２２により埋めることができないことに起因する。
【００１９】
図２には、本発明により形成された印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリが示されている。この図では、同様な構成要素が示されているため、これらの構成要素には図１の従来技術の構造と同じ参照符号が付与されているとともに、これらについての説明を省略する。主な違いは、接着剤部分（ｂｏｄｙ）２８により空隙２６がほぼ埋められている点である。通常、印刷回路基板１０とヒートシンク２４との間のスペースのうち空隙により占められるのは、５％未満となる。接着剤のボディ２８は、通常、所定位置で硬化する前に流動する熱硬化性エポキシ接着剤からなる。
【００２０】
図３には、図２に示されたアッセンブリの形成方法の好適な実施例が示されている。記載された実施例は、発明者が実行している最良の実施例であるが、この方法に変更を加えることも可能であり、付随の請求項に限定されている事項以外によっては、この好適な実施例は制限されない。
【００２１】
ボックス３０により示された最初のステップでは、２種類の接着剤の複合材料を提供する。この好適な実施例では、この複合材料は、２つの接着剤層からなり、これらのうちの一方は、感圧性接着剤の層であり、他方は、熱硬化性接着剤の層である。しかし、所望により、各接着剤の層を複数用いることも可能である。しかし、この複合材料の片側を感圧性接着剤２２から形成しかつ他方の側を熱硬化性接着剤２８から形成することは、重要である。好適な感圧性接着剤としては、ミネソタ・マイニング・アンド・マニュファクチュアリング社（Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）（３Ｍコーポレイション）から３Ｍ９４６０および３Ｍ９４６９という商品名で購入可能なアクリルベースの感圧性接着剤が挙げられる。熱硬化性接着剤２８としては、感圧性接着剤２２に接着し得る、エポキシベースの接着剤を用いることができる。このようなエポキシベースの接着剤もまた、３ＭコーポレイションからＡＦ１６３という商品名で購入可能である。熱硬化性接着剤２８としては、別のタイプのものを用いることも可能である。
【００２２】
通常は、剥離ライナ（図示せず）を感圧性接着剤層に施す。同様な剥離ライナを熱硬化性接着剤層に施すことも可能であるが、熱硬化性接着剤が未硬化の状態でも実質的に固体状であり特に粘着性を有さない場合は、通常、このような剥離ライナは不要である。このような剥離ライナは、通常、以上で特定されたような熱硬化性接着剤を用いる場合に用いられる。代表的なものとして特定された感圧性接着剤は、アクリルをベースとしたものであるため、これらによって、まさに従来技術の構造と同様に、振動絶縁（減衰）の効果が得られる。
【００２３】
続いて、剥離ライナを除去し、ヒートシンク２４の印刷回路基板受容面３２に感圧性接着剤層２２を施す。続いて、接着剤の複合材料を面３２の上で圧延してこれを面３２上に接着するとともに、層２２を含む複合材料を面３２に施す接着プロセス中に生じ得る気体ポケットつまり泡を除去する。このステップは、ボックス３４として図示されている。
【００２４】
プロセスのこの段階で、ボックス３６に示されているように、印刷回路基板を熱硬化性接着剤層に施す。続いて、結果として得られるアッセンブリを、一般的な真空バッグ内に配置して、真空引きする。このような工程によって、２つの効果が得られる。第１の効果は、このような工程を行わなければ存在し得る空気や気体をポケット２６から追い出すことである。第２の目的は、ボックス３８に示されているように、真空バッグをアッセンブリ上で潰してアッセンブリを圧縮することによって、銅トレース１６およびサーマルパッド２０が熱硬化性接着剤層に押し付けられるようにして、図２に示された接着剤部分を形成することである。
【００２５】
続いて、ボックス４０に示されるように、アッセンブリを加熱する。まず最初に、熱硬化性接着剤が加熱されることによって、その粘性が低下し、これによって、熱硬化性接着剤が、液化して、ボックス３８のステップで真空引きされたポケット２６に流れ込む。これと同時に、この樹脂の硬化が始まる。硬化が完了すると、熱硬化性接着剤により剛性の接着剤部分２８が形成される。熱硬化性樹脂の液化および硬化は、２００°Ｆのオーダーの温度で起こることが好ましい。このような温度は、硬化させるのに十分高く、かつ印刷回路基板およびその上に取り付けられている電子部品に熱的損傷が生じるほどには高くない温度である。
【００２６】
続いて、アッセンブリを真空バッグから取り出し、在庫として保存したり、使用される場所へと出荷する。
【００２７】
通常、熱硬化性接着剤層および感圧性接着剤層の厚さは、０．００２〜０．０１０インチである。好適な実施例では、各層の厚さは約０．００５インチである。
【００２８】
一般的には、これらの層を可能な限り薄く形成し、適切な接着力が得られるようにすることが好ましい。これらの接着層は、銅やアルミニウムといった金属ほど熱伝導度は大きくない。従って、これらの層の厚さを大きくすると、これらの層を介した熱放出率（ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）が減少する。同時に、感圧性接着剤層２２を、所定の用途に必要な振動絶縁つまり減衰の効果を得るのに十分な厚さを有するものとしなければならない。
【００２９】
図１に示されたような従来技術の構造では、空隙２６のような空隙が、印刷回路基板１０とヒートシンク２４との間のスペースの４０％以上を占めるが、本発明によりアッセンブリを形成すると、空隙が占めるスペースを、少なくとも５％でかつ０％程度にまで減少させることができる。これによって、印刷回路基板１０からヒートシンク２４への熱伝達を妨げる空隙２６の大部分を効果的に除去することができる。
【００３０】
結果として、空隙が除去されることによって、ヒートシンク２４と印刷回路基板１０との間の接着力が改善されるのみならず、熱伝達を妨げる断熱ポケットとして作用する空隙２６の体積が減少することによって、熱伝導率が著しく増大する。
【００３１】
ステップ３０のように複合材料を提供することは、本発明を実施する上で非常に望ましいが、このことを、必ずしも行わなければならない訳ではない。複合材料を用いた場合、複合材料の薄膜を、レーザカットなどにより所望の寸法に切断することが容易となる。さらに、このことによって、手作業の際に生じる問題が減少する。しかし、所望により、接着剤層をそれぞれ別個に各構成要素に施し、続いて、これらを互いに接着することも可能である。
【００３２】
好適な実施例では、ボックス３８として示されている、アッセンブリを真空状態に置いて圧縮するステップと、ステップ４０として示されている、アッセンブリを加熱するステップと、を図３に示されている順序の通りに行う必要はない。実際には、真空／圧縮ステップと加熱ステップとを同時に行い、よりいっそう、プロセスを迅速化するとともに手作業を低減することが好ましい。
【００３３】
最後に、これらの層を施す方法により、接着剤の層の間、接着剤層とヒートシンク２４との間、もしくは接着剤層と回路基板１０との間に、泡が生成されることがない場合には、ボックス３４として示されている圧延ステップを、省略することが可能である。
【００３４】
以上のことから、本発明の接着型印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリを形成する方法によって、得られる製品を著しく改良できることがわかる。すなわち、ヒートシンクへの熱放出が大きな速度で起こるようにすることによって、基板１０に取り付けられる電子部品の密度を増大させることができる。さらに、ヒートシンクと印刷回路基板との間の接着状態を改善することができる。このように、本発明は、このようなアッセンブリの形成方法を著しく改善するのみならず、アッセンブリもまた改良するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術の印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリの部分断面図。
【図２】
図１と同様な、本発明の印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリの部分断面図。
【図３】
本発明の方法の好適な実施例で行われるステップの順序を示すフロー図。

Claims (11)

1. 印刷回路基板をヒートシンクに接着する方法であって、
   ａ）露出された少なくとも１つの感圧性接着剤層および露出された少なくとも１つの熱硬化性接着剤層を含む接着剤複合材料を提供するステップと、
   ｂ）前記の露出された感圧性接着剤層がヒートシンクの基板受容面に対向しかつ前記の露出された熱硬化性接着剤層が印刷回路基板に対向するように、前記複合材料を前記印刷回路基板と前記基板受容面との間に配置するステップと、
   ｃ）ステップｂ）で得られた前記アッセンブリを真空状態に置き、加熱することによって、前記ヒートシンクと前記印刷回路基板との間に存在する気体を除去し、前記熱硬化性接着剤を硬化させるステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. ステップａ）とステップｂ）との間に、前記接着剤複合材料を圧縮して気体の泡を除去するステップを行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記の圧縮ステップでは、前記接着剤複合材料を前記ヒートシンクに向かって圧縮することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記ステップｃ）では、ステップｂ）で得られた前記アッセンブリを圧縮することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記ステップｃ）では、ステップｂ）で得られた前記アッセンブリを圧縮することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 請求項１の方法により形成された印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリ。
7. 熱を放出する部品が少なくとも１つ搭載された印刷回路基板をヒートシンクに接着する方法であって、
   ａ）感圧性接着剤層が前記ヒートシンクに接触しかつ熱硬化性接着剤層が前記印刷回路基板に接触するように、少なくとも１つの感圧性接着剤層および少なくとも１つの熱硬化性接着剤層を、前記ヒートシンクと前記印刷回路基板との間に配置するステップと、
   ｂ）ステップａ）で得られた前記アッセンブリを、真空状態で圧縮して、前記接着剤層もしくはこれらの間に存在する気体を除去するステップと、
   ｃ）ステップａ）で得られた前記アッセンブリを、ステップｂ）の間もしくはこの後で加熱して、前記熱硬化性接着剤を硬化させるステップと、
   を有することを特徴とする方法。
8. 前記層を含む接着剤複合材料を、前記印刷回路基板と前記ヒートシンクとの間に配置することによって、ステップａ）を実行することを特徴とする請求項７記載の方法。
9. ステップｃ）によって、前記熱硬化性接着剤が、さらに液化して、前記真空状態により生じた前記印刷回路基板上の真空の空隙へと流れ込むことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 請求項７の方法により形成された印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリ。
11. 印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリであって、
    ａ）印刷回路基板と、
    ｂ）前記印刷回路基板から離間された印刷回路基板受容面を備えたヒートシンクと、
    ｃ）前記ヒートシンクに接着された少なくとも１つの感圧性接着剤層と、
    ｄ）前記印刷回路基板に接着された少なくとも１つの熱硬化性接着剤層と、
    を備えており、
    ｅ）前記接着剤層は、互いに接着されているとともに、前記ヒートシンクと前記印刷回路基板との間のスペースに充填されており、
    ｆ）前記の充填されたスペースには、気体ポケットつまり空隙が実質的に存在しないことを特徴とする印刷回路基板／ヒートシンクアッセンブリ。

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