JP2006294749A - 高放熱回路基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱板に炭素繊維で構成された板を用いた高放熱回路基板において、素繊維樹脂板の熱伝導率の高い方向の熱伝導性を利用することができ、また、放熱に必要な厚さの炭素繊維樹脂板を放熱板として用いることができるので、放熱特性の高い回路基板を提供することができるものである。
【解決手段】 高放熱回路基板１おいて、配線基板２表面に部品３実装し、この部品３実装されていない配線基板２表面に電気絶縁性の下部熱伝導材５配置し、この下部熱伝導材５表面に、配線基板２略平行でかつ部品３の側面に近接して炭素繊維樹脂板６配置し、この炭素繊維基板６と部品３の側面との間に電気絶縁性の中間熱伝導材９充填したものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、プリント配線が形成された配線基板の表面に電子部品が実装される回路基板に関するもので、とくに放熱性に優れた回路基板およびその製造方法に関するものである。

従来の高放熱回路基板には、ガラスエポキシ樹脂などからなる配線基板の一方の表面に部品を実装し、他方の表面にベースとなる放熱板を設けたベース基板型と呼ばれるものや、配線基板のコアの部分に放熱板を設けたコア基板型と呼ばれるものがある。通常、放熱板としては金属板が用いられているが、衛星で使用される高放熱回路基板では軽量かつ高強度が要求されるため、放熱板として炭素繊維で構成された板が用いられている。

従来の、放熱板に炭素繊維で構成された板を用いた高放熱回路基板においては、例えば、ベース基板型として、炭素繊維強化アルミニウム合金からなるベースの一方の面に配線基板となる絶縁膜を設け、この絶縁膜の表面に配線パターンを設けたものがあった（例えば、特許文献１参照）。また、コア基板型として、コアを炭素繊維と樹脂との複合構造とし、かつ炭素繊維が一の方向に配設された炭素繊維群とこの一の方向に直行するように配設された炭素繊維群とによって構成されていた（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。

特開平５−１１０２１９号公報（２頁、図１） 特開平２００３−２７３４８２号公報（３頁、図１１） 特開平１１−４０９０２号公報（２頁、図３）

一般に、炭素繊維で構成された放熱板としては、炭素繊維を二次元的に配設しこの炭素繊維の隙間を樹脂で固定した炭素繊維樹脂板が用いられている。この炭素繊維樹脂板においては、炭素繊維が二次元的に配設された方向（Ｘ、Ｙ方向）と平行な方向の熱伝導率は約５００Ｗ／ｍ・Ｋと高いが、ＸおよびＹ方向に対して垂直な方向（Ｚ方向）の熱伝導率は約３Ｗ／ｍ・Ｋと低くなる。炭素繊維樹脂板を放熱板として用いる場合、ベース基板型、コア基板型どちらの構成においても、部品で発生した熱は、配線基板である絶縁膜あるいはガラスエポキシ樹脂を経由して炭素繊維樹脂板に伝導されるが、この熱は炭素繊維樹脂板のＺ方向への熱伝導を利用していた。そのため、炭素繊維樹脂板の熱伝導率の高いＸ、Ｙ方向への熱伝導性を十分に利用することができないという課題があった。また、炭素繊維樹脂板のＸ、Ｙ方向の熱膨張係数は、−０．８２ｐｐｍ／ｍ・Ｋと非常に小さいが、ガラスエポキシ樹脂の熱膨張係数は、１５ｐｐｍ／ｍ・Ｋと大きいため、この熱膨張率の差が原因で、回路基板には温度変化によって大きな応力が発生する。この応力によって、ベース基板型の場合、絶縁膜が炭素繊維樹脂板から剥離する場合がある。また、コア基板型の場合、両面の配線間を電気的に接続するために回路基板を貫通するスルーホールが形成されているが、温度変化によって回路基板に発生する応力がスルーホールに集中して割れが発生する場合がある。そのため、応力発生を抑えるためにベースあるいはコアとなる炭素繊維樹脂板の厚みに制限があり、放熱に必要な十分な厚さの炭素繊維樹脂板を用いることができなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、炭素繊維樹脂板の熱伝導率の高い方向の熱伝導性を利用することができ、また、放熱に必要な厚さの炭素繊維樹脂板を放熱板として用いることができるので、放熱特性の高い回路基板を提供することができるものである。

この発明に係る高放熱回路基板においては、配線基板の表面に部品を実装し、この部品が実装されていない配線基板の表面に電気絶縁性の下部熱伝導材を配置し、この下部熱伝導材の表面に、配線基板と略平行でかつ部品の側面に近接して炭素繊維樹脂板を配置し、この炭素繊維樹脂板と部品の側面との間に電気絶縁性の中間熱伝導材を充填したものである。

この発明は、下部熱伝導材の表面に部品の側面に近接して炭素繊維樹脂板を配置し、この炭素繊維樹脂板と部品の側面との間に電気絶縁性の中間熱伝導材を充填することにより、部品からの熱を熱伝導率の高い炭素繊維樹脂板の炭素繊維が二次元的に配設された方向に伝導させることができるとともに、炭素繊維樹脂板と配線基板との間に下部熱伝導材を配置することにより、温度変化によって発生する応力による割れが発生しにくく、放熱に必要な厚さの炭素繊維樹脂板を放熱板として用いることができるものである。このため、放熱特性の高い高放熱回路基板が得られるものである。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における、高放熱回路基板１の断面模式図である。図１において、配線基板２の一方の表面に発熱源となる部品３が実装されている。通常、配線基板２には、実装密度を上げるために、配線基板２の両面に配線（図示せず）が形成されており、この両面の配線間を電気的に導通させるためのスルーホール４が形成されている。配線基板２の部品３が実装されていない表面に下部熱伝導材５が配置されており、この下部熱伝導材５の表面に炭素繊維樹脂板６が配置されている。この炭素繊維樹脂板６は、部品３の側面に近接して狭間７を有するように、一枚の炭素繊維樹脂板６の部品３に対応する領域に部品３の寸法よりも狭間７の分だけ大きい貫通穴８を形成したものである。狭間７には、中間熱伝導材９が充填されている。

本実施の形態において、配線基板２は、例えば層間絶縁基材と銅配線からなる８層の多層板などを用いることができる。また、部品３は、発熱部品である抵抗やコンデンサなどである。また、下部熱伝導材５としては、エポキシ、ビスマレイミド、シアネートエステルなどの熱硬化性樹脂に、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などの熱伝導性のよい無機フィラーを分散させた熱伝導性樹脂をもちいることができる。さらに熱膨張率差によって炭素繊維樹脂板６との間に発生する応力を低減するために、上述のような熱伝導性樹脂に一部アクリルなどの熱可塑成分を混合して、弾性率を３ＧＰａ以下としたものが好適である。この熱伝導性樹脂は、所望の放熱性を得るために熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、かつ狭間７を完全に充填するために、最低溶融粘度が２５ｋＰａ以下であることが望ましい。中間熱伝導材９としては、下部熱伝導材５と同じ熱伝導性樹脂を用いることができ、これらの熱伝導性樹脂を、加熱圧着により接着硬化させている。

図２は、本実施の形態における炭素繊維樹脂板６の模式図である。図２に示すように、炭素繊維樹脂板６は、単繊維２１が一方向に揃えて配設された炭素繊維布２２〜２７を単繊維２１が交互に直交するように６層積層し、これらの炭素繊維布２２〜２７をエポキシ系の樹脂で接着硬化させたものである。

次に、本実施の形態における動作について説明する。配線基板２の配線に電圧が印加され、部品３が動作して発熱した場合、部品３で発生した熱は部品３の側面から、中間熱伝導材９を経由して炭素繊維樹脂板６の側面に伝導される。炭素繊維樹脂板６に伝導された熱は、単繊維２１の配設された方向に伝導していくため、熱伝導率が高く、速やかに炭素繊維樹脂板６内に拡散される。

このように構成された高放熱回路基板においては、部品で発生した熱を部品の側面から放熱板である炭素繊維樹脂板の炭素繊維が二次元的に配設された方向に伝導させることができるため、放熱効果が高く、部品の温度上昇を防ぐことができる。また、下部熱伝導材および中間熱伝導材の熱膨張係数を炭素繊維樹脂板の熱膨張係数に近いものを用いることで、回路基板の温度変化に対して応力の発生を抑えることができるのため、放熱に必要な厚さの炭素繊維樹脂板を放熱板として用いることができる。このため、さらに放熱性の高い高放熱回路基板が得られる。

また、炭素繊維樹脂板が外部に露出しているため、高放熱回路基板が固定される筐体や放熱フィンなどに直接接触させることができるので、さらに放熱効果を高めることもできる。

なお、本実施の形態においては、炭素繊維樹脂板として図２に示すような、単繊維が一方向に揃えて配設された炭素繊維布を積層したものを用いたが、単繊維を縦横に編んだ炭素繊維布を用いていもよい。また、炭素繊維樹脂板と部品の側面に炭素繊維樹脂板を近接させるための狭間を有するように、一枚の炭素繊維樹脂板に部品の寸法よりも狭間の分だけ大きい貫通穴を形成したが、炭素繊維樹脂板は一枚である必要はなく、分割された複数の炭素繊維樹脂板を部品の側面と狭間を有するように配置してもよい。

また、本実施の形態においては、部品を回路基板の一方の面にのみ実装したが、両面に実装してもよい。その場合、下部熱伝導材、炭素繊維樹脂板および中間熱伝導材は、両面に配置される。

実施の形態２．
実施の形態２においては、実施の形態１と同様な構成において、部品の外部に露出した上面に上部熱伝導材を配置して、部品からの放熱性をさらに高めたものである。

図３は、本実施の形態における、高放熱回路基板１の断面模式図である。本実施の形態においては、実施の形態１と同様な構成において、部品３と炭素繊維樹脂板６と中間熱伝導材７との表面に、上部熱伝導材３１を配置したものである。上部熱伝導材３１は、実施の形態１で用いた下部熱伝導材５と同じ熱伝導性樹脂を用いて加熱圧着により接着硬化させたものである。

このように構成された高放熱回路基板においては、部品の側面からの熱を放熱板である炭素繊維樹脂板の炭素繊維が二次元的に配設された方向に伝導させることができるため、放熱効果が高くできるとともに、部品の上面からの熱を上部熱伝導材に伝導させることができるので、部品の温度上昇をさらに防ぐことができる。

なお、本実施の形態においては、下部熱伝導材と中間熱伝導材と上部熱伝導材とをそれぞれ個別の熱伝導性樹脂を用いていたが、中間熱伝導材を除いて、下部熱伝導材と上部熱伝導材とに用いる熱伝導性樹脂を同時に加熱圧着することで、これらの熱伝導性樹脂が狭間に流動充填されて中間熱伝導材を構成するようにしてもよい。この場合、中間熱伝導材を充填する工程を除くことができる。

実施の形態３．
実施の形態３においては、実施の形態２と同様な構成において、上部熱伝導材の表面に放熱板として第２の炭素樹脂繊維板を配置して、部品からの放熱性をさらに高めたものである。

図４は、本実施の形態における、高放熱回路基板１の断面模式図である。本実施の形態においては、実施の形態２と同様な構成において、上部熱伝導材３１の表面に第２の炭素樹脂繊維板４１を配置したものである。

このように構成された高放熱回路基板においては、部品の側面からの熱を放熱板である炭素繊維樹脂板の炭素繊維が二次元的に配設された方向に伝導させることができるため、放熱効果が高くできるとともに、部品の表面からの熱を上部熱伝導材に伝導させることができる。さらに、部品および炭素繊維樹脂板から上部熱伝導材に伝導された熱が、放熱板である第２の炭素繊維樹脂板に伝導されるので、さらに部品の温度上昇を防ぐことができる。

なお、本実施の形態においては、上部熱伝導材の表面に放熱板として第２の炭素繊維樹脂板を配置したが、他の放熱板、例えば金属板や放熱フィンなどを配置してもよい。あるいは、高放熱回路基板が組み込まれる電子機器の筐体に、上部熱伝導材の表面で高放熱回路基板を接続固定してもよい。この場合、放熱板は電子機器の筐体となる。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４における、高放熱回路基板１の製造方法を示す模式図である。まず始めに、図５（ａ）に示すように、配線基板２の表面に部品３が実装されており、この部品３の上面および側面と配線基板２の部品３が実装されていない表面とを覆うように半硬化状態の下部熱伝導性樹脂シート５１を真空ラミネートで貼り付ける第１の工程を行う。次に、１００℃で２０分間のアニールを行ない、下部熱伝導性樹脂シート５１の硬化反応を進めた後に、図５（ｂ）に示すように、ドリル加工などで部品３の寸法より大きい貫通穴８が形成された炭素繊維樹脂板６を、部品３の位置に貫通穴８が対応するように下部熱伝導性樹脂樹脂シート５１の表面に配置して、真空ラミネートで加圧圧着する第２の工程を行う。最後に、図５（ｃ）に示すように、１００℃で２４時間のアニールを行ない、部品３と炭素繊維樹脂板６と下部熱伝導性樹脂シート５１とを接着硬化する第３の工程を行ない、高放熱回路基板１を製造する。

このように構成された高放熱回路基板の製造方法においては、図５（ｃ）に示すように、部品３の側面に接着硬化された下部熱伝導性樹脂シート５１が、炭素繊維樹脂板６と部品３との側面の間の狭間７に充填され、この部分の下部熱伝導性樹脂シート５１が中間熱伝導材９として作用する。このため、下部熱伝導材と中間熱伝導材とを同時に作製することができる。

実施の形態５．
実施の形態４における高放熱回路基板の製造方法では、部品の高さが高い場合、部品の高さと炭素繊維樹脂板の厚さに差がある場合あるいは下部熱伝導性樹脂シートが狭間に比べて薄い場合などには、炭素繊維樹脂板と部品の側面との間の狭間に下部熱伝導性樹脂シートが完全に充填されず狭間に中間熱伝導材が完全に充填されない場合がある。実施の形態５においては、中間熱伝導材の充填をさらに確実に行うことのできる製造方法である。

図６は、本実施の形態における、高放熱回路基板１の製造方法を示す模式図である。図６（ａ）に示すように、第１の工程および第２の工程までは、実施の形態４と同様である。ただし、図６（ａ）に示すように、下部熱伝導性樹脂シート５１が狭間７より薄い場合、狭間７が下部熱伝導性樹脂シート５１で完全に充填できない場合がある。次に、図６（ｂ）に示すように、狭間７に対応する位置に中間熱伝導性樹脂シート６１を配置して、真空ラミネートで加圧圧着する。中間熱伝導性樹脂シート６１は、下部熱伝導性樹脂シート５１と同じ材料のシートで、部品３の外周部に対応するように切り取ったものである。最後に、図６（ｃ）に示すように、１００℃で２４時間のアニールを行ない、部品３と炭素繊維樹脂板６と中間熱伝導性樹脂シート６１と下部熱伝導性樹脂シート５１とを接着硬化する第３の工程を行ない、高放熱回路基板１を製造する。

このように構成された高放熱回路基板の製造法においては、図６（ｃ）示すように下部熱伝導性樹脂樹脂シート５１と中間熱伝導性樹脂シート６１とが狭間７を充填して中間熱伝導材９を構成するので、より確実に中間熱伝導材を充填することができる。

なお、本実施の形態においては、中間熱伝導性樹脂シートを、下部熱伝導性樹脂シートと同じ材料のシートを用いたが、この熱伝導性樹脂シートと主成分が同じで流動性のあるペースト状のものを用いて狭間に充填してもよい。

実施の形態６．
図７は、実施の形態６における、高放熱回路基板１の製造方法を示す模式図である。図７（ａ）に示すように、第１の工程および第２の工程までは、実施の形態４と同様である。ただし、図７（ａ）に示すように、下部熱伝導性樹脂シート５１が狭間７より薄い場合、狭間７が下部熱伝導性樹脂シートで完全に充填できない場合がある。次に、図７（ｂ）に示すように、炭素繊維樹脂板６と部品３とを覆うように、上部熱伝導性樹脂シート７１を配置して、真空ラミネートで加圧圧着する。上部熱伝導性樹脂シート７１は、下部熱伝導性樹脂シート５１と同じ材料のシートである。最後に、図７（ｃ）に示すように、１００℃で２４時間のアニールを行ない、部品３と炭素繊維樹脂板６と上部熱伝導性樹脂シート７１と下部熱伝導性樹脂シート５１とを接着硬化する第３の工程を行ない、高放熱回路基板１を製造する。

このように構成された高放熱回路基板の製造法においては、図７（ｃ）に示すように、下部熱伝導性樹脂樹脂シート５１と上部熱伝導性樹脂シート７１とが狭間７を充填して中間熱伝導材９を構成するので、より確実に中間熱伝導材９を充填することができる。さらに、炭素繊維樹脂板６は、接触や振動などで炭素繊維が脱落しやすいが、炭素繊維樹脂板６の表面が上部熱伝導性樹脂シート７１で覆われているので、電子機器にこの高放熱回路基板が組み込まれたときに、脱落した炭素繊維が他の電子部品にごみとして付着して不具合が発生することを防止することができる。

実施の形態７．
実施の形態７においては、実施の形態６において、上部熱伝導性樹脂シートの表面に放熱板を設けたものである。図８は、本実施の形態における、高放熱回路基板１を示す模式図である。本実施の形態においては、実施の形態６における第２の工程以降に、炭素繊維樹脂板６と部品３とを覆うように、上部熱伝導性樹脂シート７１を配置した後に、さらに放熱板８１を配置して、真空ラミネートで加圧圧着する。最後に、１００℃で２４時間のアニールを行ない、部品３と炭素繊維樹脂板６と上部熱伝導性樹脂シート７１と下部熱伝導性樹脂シート５１と放熱板８１とを接着硬化する第３の工程を行ない、高放熱回路基板１を製造する。

このように構成された高放熱回路基板の製造方法においては、部品３で発生した熱が中間熱伝導材９を伝導して炭素繊維樹脂板６に伝導され、さらに上部熱伝導性シート７１を経由して放熱板８１に伝導される。放熱板８１に伝導された熱は速やかに外部に放熱されるので、放熱効果が高く、部品の温度上昇を防ぐ高放熱回路基板が得られる。

この発明の実施の形態１における高放熱回路基板の断面模式図である。 この発明の実施の形態１における炭素繊維樹脂板の模式図である。 この発明の実施の形態２における高放熱回路基板の断面模式図である。 この発明の実施の形態３における高放熱回路基板の断面模式図である。 この発明の実施の形態４における高放熱回路基板の製造方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態５における高放熱回路基板の製造方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態６における高放熱回路基板の製造方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態７における高放熱回路基板の製造方法を示す模式図である。

符号の説明

１ 高放熱回路基板、 ２ 配線基板、 ３ 部品
４ スルーホール、 ５ 下部熱伝導材、 ６ 炭素繊維樹脂板
７ 狭間、 ８ 貫通穴、 ９ 中間熱伝導材
２１ 単繊維、 ２２、２３、４、２５、２６、２７ 炭素繊維布
３１ 上部熱伝導材、 ４１ 第２の炭素繊維樹脂板
５１ 下部熱伝導性樹脂シート、６１ 中間熱伝導樹脂シート
７１ 上熱伝導性樹脂シート、 ８１ 放熱板

Claims (9)

1. 配線基板と、
   この配線基板の表面に実装された部品と、
   この部品が実装されていない上記配線基板の上記表面に配置された電気絶縁性の下部熱伝導材と、
   この下部熱伝導材の表面に上記配線基板と略平行でかつ上記部品の側面に近接して配置された炭素繊維樹脂板と、
   この炭素繊維樹脂板と上記部品の側面との間に充填された電気絶縁性の中間熱伝導材と
   を備えたことを特徴とする高放熱回路基板。
2. 部品と炭素繊維樹脂板と中間熱伝導材との表面に上部熱伝導材を配置したことを特徴とする請求項１記載の高放熱回路基板。
3. 上部熱伝導材の表面に放熱板を配置したことを特徴とする請求項２記載の高放熱回路基板。
4. 炭素繊維樹脂板は、部品の対応する領域に上記部品の側面に近接して配置するために必要な寸法の貫通穴が設けられたことを特徴とする請求項１記載の高放熱回路基板。
5. 下部熱伝導材および中間熱伝導材は、マトリックス樹脂に無機フィラーを分散させた熱伝導性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の高放熱回路基板。
6. 配線基板の表面に実装された部品の上面および側面と上記配線基板の上記部品が実装されていない上記表面とに電気絶縁性の下部熱伝導性樹脂シートを貼り付ける第１の工程、
   次に、上記下部熱伝導性樹脂シートを加熱して弱硬化し、この弱硬化した上記下部熱伝導性樹脂シートの表面で上記部品が実装されていない領域に上記配線基板と略平行でかつ上記部品の側面と狭間を有して炭素繊維樹脂板を配置して加圧圧着する第２の工程、
   次に、上記下部熱伝導性樹脂シートを加熱して上記部品と上記炭素繊維樹脂板と上記下部熱伝導性樹脂シートとを接着硬化する第３の工程
   を行うことを特徴とする請求項１記載の高放熱回路基板の製造方法。
7. 第２の工程と第３の工程との間に、狭間に中間熱伝導性樹脂を充填する工程を行ない、第３の工程は、下部熱伝導性樹脂シートと上記中間熱伝導性樹脂とを加熱して、部品と炭素繊維樹脂板と上記下部熱伝導性樹脂シートと上記中間熱伝導性樹脂とを接着硬化することを特徴とする請求項６記載の高放熱回路基板の製造方法。
8. 第２の工程と第３の工程との間に、下部熱伝導性樹脂シートと炭素繊維樹脂板との表面に上部熱伝導性樹脂シートを貼り付ける工程を行ない、第３の工程は、上記下部熱伝導性樹脂シートと上記上部熱伝導性樹脂シートとを加熱して、部品と上記炭素繊維樹脂板と上記下部熱伝導性樹脂シートと上記上部熱伝導性樹脂シートとを接着硬化することを特徴とする請求項６記載の高放熱回路基板の製造方法。
9. 第２の工程と第３の工程との間に、下部熱伝導性樹脂シートと炭素繊維樹脂板との表面に上部熱伝導性樹脂シートを貼り付け、さらに上記上部熱伝導性樹脂シートの表面に放熱板を加圧圧着する工程を行ない、第３の工程は、上記下部熱伝導性樹脂シートと上記上部熱伝導性樹脂シートとを加熱して、部品と上記炭素繊維樹脂板と上記下部熱伝導性樹脂シートと上記上部熱伝導性樹脂シートと上記放熱板とを接着硬化することを特徴とする請求項６記載の高放熱回路基板の製造方法。

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