JP2007180439A - 高導熱放率電路板 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップを安定して動作させる熱伝導効率の高い回路板を提供する。
【解決手段】
回路板には、主に基板１０上をダイヤモンド粉末またはダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボン膜を含有する熱伝導絶縁層１７が被覆しており、熱伝導絶縁層１７上に回路１２が設置され、一部回路１２上をハンダマスク層１３が被覆しており、外部露出部分の回路１２は半導体チップ２０の設置に利用され、当該熱伝導絶縁層１７は回路１２を介して当該半導体チップ２０の高熱を迅速に伝導して、当該半導体チップ２０の正常な作用温度を維持する。熱伝導絶縁層１７は現有回路板基板上のエポキシ化物絶縁層に取って代わることができ、高効率半導体チップが発生する高熱をハンダ１４及び回路１２を介した後、急速に熱伝導絶縁層１７により基板１０に伝達して放熱するか、または熱伝導絶縁層１７と空気との熱交換により放熱する。
【選択図】図２

Description

本発明は回路板に属しており、特に熱伝導効率の高い回路板を指しており、それは回路板上に配設されている半導体チップに良好な熱伝導効果を提供し、半導体チップに高熱が集積して放熱されないことにより半導体チップが失効または損壊することを回避することができる熱伝導絶縁層を備えている。

大多数の電子素子、特に集積回路素子は、実装時に、チップをベア回路板上に設置するとともに、チップの接点を当該ベア回路板の接点に接続しており、ベア回路板の金属基板が酸化することを回避するため、金属基板上を絶縁層で被覆して外界と基板との接触を隔絶している。

図３を参照すると、現有のベア回路板では主にアルミニウム製基板（９０）上に絶縁層（９１）が形成されており、当該絶縁層（９１）上に回路（９２）が形成され、一部の回路（９２）上に回路（９２）を被覆するハンダマスク層（９３）がそれぞれ形成されており、別の部分の回路（９２）上に、半導体チップの接続用としてハンダ（９４）が被覆設置されており、半導体チップと回路（９２）とを電気的に接続している。

図４を参照すると、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）（９８）がハンダ（９４）を介して前記ベア回路板の特定回路（９２）の上にハンダ接続されており、図４内の矢印が示す通り、ＬＥＤ（９８）の作動時に高熱が発生すると、熱エネルギは絶縁層（９１）を介して基板（９０）まで伝達され、最終的に外界に排出される。

ＬＥＤ（９８）の大多数は微小キャビティ内に位置しており、ＬＥＤ（９８）が位置する箇所には、通常、所定外にファンを追加して強制的に熱滞留を発生させるための十分なスペースが備わってはおらず、たとえファンが追加装着されたとしても、ファンがエレメント全体としての電力消費量及び体積を増加させ、ＬＥＤ（９８）の高効率、省電力エネルギ節約であり、寸法はコンパクトで、環境保護に優れているという利点が失われるため、前記要因の下で、ＬＥＤ（９８）の熱管理は熱伝導を利用して自然対流により放熱する方向に向いている。

しかし、現有の絶縁層（９１）はガラスエポキシ樹脂材料（Ｇｌａｓｓ−Ｅｐｏｘｙ）または比較的高い熱伝導係数の酸化アルミニウム、炭化ケイ素などセラミックエポキシ樹脂材料（Ｅｐｏｘｙ−Ａｌ_２Ｏ_３、Ｅｐｏｘｙ−ＳｉＣ）などで構成されており、この２種類の材料の熱伝導率は現有のＬＥＤなど高効率半導体チップに対しては明らかに不足しており、ＬＥＤ（９８）が発生した高熱は銅回路（９２）に伝達された後、当該絶縁層（９１）を介して効果的に引き続き金属基板（９０）に向けて伝達することができないため、高熱は銅回路（９２）上に集積するとともに発熱点（Ａ）を形成して、ＬＥＤ（９８）が引き続き温度上昇して安定的に作動できなくなり、場合によっては、高温により損壊する。

従って、本発明者は、現有のベア回路板は熱伝導効率が芳しくないためにその上に位置する半導体チップなど電子素子の作動安定性に影響が及ぶという欠点に鑑み、その不足点及び欠点を改良し、熱伝導効率の高い回路板を発明した。

本発明の主な目的は熱伝導効率の高い回路板を提供することにあり、当該回路板上には、高効率半導体チップ、例えば発光ダイオードなどが発生した高熱を迅速に伝達して、高効率半導体チップが当該ベア回路板上で作動した際に正常温度を維持することを可能とさせる熱伝導絶縁層が設置されている。

上記目的を達成するため、本発明では、熱伝導効率の高い回路板について、主に基板上をダイヤモンド粉末またはダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボン膜を含有する熱伝導絶縁層が被覆しており、熱伝導絶縁層上に回路が設置され、回路箇所は半導体チップの設置に利用され、回路の外部露出表面上はハンダマスク層が被覆しており、当該熱伝導絶縁層は回路を介して当該半導体チップの高熱を迅速に伝導して、当該半導体チップの正常な作用温度を維持する。

上記技術手段により、熱伝導絶縁層は現有回路板基板上のエポキシ化物絶縁層に取って代わることができ、高効率半導体チップが発生する高熱をハンダ及び回路を介した後、急速に熱伝導絶縁層により基板に伝達して放熱するか、または熱伝導絶縁層と空気との熱交換により放熱する。

前記熱伝導絶縁層はダイヤモンド粉末とエポキシ樹脂とを混合して製造されている。
前記熱伝導絶縁層内におけるダイヤモンド粉末の体積比は５ｖｏｌ％〜９５ｖｏｌ％の間である

。
前記ハンダマスク層はポリイミドで製造されている。

図１を参照すると、本発明における熱伝導効率の高い回路板には、基板（１０）と、熱伝導絶縁層（１７）と、回路（１２）と、保護層（１３）とが含まれている。

当該基板（１０）はアルミニウム、銅またはセラミックなどの材料で製造されている。

当該熱伝導絶縁層（１７）は基板（１０）表面を被覆しており、当該熱伝導絶縁層（１７）は良好な熱伝導性を有するダイヤモンド粉末混合のエポキシ樹脂（Ｅｐｏｘｙ Ｒｅｓｉｎ）で製造することができ、当該ダイヤモンド粉末の体積比は５ｖｏｌ％〜９５ｖｏｌ％の間とすることができ、その他、熱伝導絶縁層（１７）は純粋にダイヤモンドとするかまたはダイヤモンドライクカーボン膜で製造することもできる。

当該回路（１２）は銅材で製作され、熱伝導絶縁層（１７）の上に設置されており、回路（１２）箇所上にはハンダ（１４）が被覆設置されている。

当該保護層（１３）はポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）で製造されており、かつすべての回路（１２）の外部露出表面上を被覆している。

図２を参照すると、ダイヤモンド粉末の熱伝導率は約８００Ｗ〜２０００Ｗ／ｍＫで、ダイヤモンドまたはダイヤモンドライクカーボン膜の熱伝導率は４００〜１８００Ｗ／ｍＫの間であり、従来のエポキシ樹脂の熱伝導率（１Ｗ／ｍＫ未満）を非常に大きく上回っており、かつダイヤモンド及びその粉末やダイヤモンドライクカーボンはすべて良好な絶縁性を備えているため、高効率発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）（２０）がハンダ（１４）を介して回路（１２）上にハンダ付けされると、図２内で熱伝導方向を示す矢印が示している通り、発光ダイオード（２０）が発生した高熱はハンダ（１４）及び回路（１２）を通過して熱伝導絶縁層（１７）に伝達され、熱伝導絶縁層（１７）は急速に外部の空気と熱交換を実施して発光ダイオード（２０）に対する放熱を実施する。

ダイヤモンドまたはダイヤモンドライクカーボンが構成する熱伝導絶縁層（１７）の形成方法の詳細は次の通りである。基板（１０）がシリコンまたはセラミックで製造されている場合、ダイヤモンド熱伝導絶縁層は熱フィラメント化学気相成長（Ｈｏｔ Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはマイクロ波プラズマ化学気相成長（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成され、かつその製造工程の温度は５００℃を超え、ダイヤモンドが形成する熱伝導絶縁層の厚さは１〜１００μｍである。基板（１０）がシリコン、セラミックまたはアルミニウム、銅などの金属で製造されている場合、ダイヤモンドライクカーボンの熱伝導絶縁層は陰極アーク物理気相成長（Ｃａｔｈｏｄｉｃ Ａｒｃ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタリング物理気相成長（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはプラズマ化学気相成長（Ｐｌａｓｍａ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成される。

上記技術手段により、熱伝導絶縁層（１７）は従来の基板上のエポキシ化物絶縁層に取って代わることができ、発光ダイオード（２０）などの高効率半導体チップが発生する高熱エネルギはハンダ（１４）及び回路（１２）を介した後、急速に熱伝導絶縁層（１７）により基板（１０）に伝達されて放熱されるか、または熱伝導絶縁層（１７）と空気との熱交換により放熱されるため、回路板上に設置されている半導体チップは安定した作動温度を維持することができ、それにより回路板の応用性は大幅に向上する。

本発明の正面断面図である。 本発明の操作見取図である。 現有回路板の正面断面図である。 現有回路板の操作見取図である。

符号の説明

（１０）基板
（１１）絶縁層
（１２）回路
（１３）ハンダマスク層
（１４）ハンダ
（１７）熱伝導絶縁層
（２０）発光ダイオード
（９０）金属基板
（９１）絶縁層
（９２）回路
（９３）ハンダマスク層
（９４）ハンダ
（９８）発光ダイオード
（Ａ）発熱点

Claims (10)

1. 主に基板上をダイヤモンド粉末を含有する熱伝導絶縁層が被覆しており、熱伝導絶縁層上に回路が設置され、回路箇所は半導体チップの設置に利用され、回路の外部露出表面上はハンダマスク層が被覆しており、当該熱伝導絶縁層は回路を介して当該半導体チップの高熱を迅速に伝導して、当該半導体チップの正常な作用温度を維持する熱伝導効率の高い回路板。
2. 熱伝導絶縁層はダイヤモンド粉末とエポキシ樹脂とを混合して製造されている請求項１記載の熱伝導効率の高い回路板。
3. 熱伝導絶縁層内におけるダイヤモンド粉末の体積比は５ｖｏｌ％〜９５ｖｏｌ％の間である請求項１または２記載の熱伝導効率の高い回路板。
4. 当該ハンダマスク層はポリイミドで製造されている請求項３記載の熱伝導効率の高い回路板。
5. 主に基板上をダイヤモンド膜で製造されている熱伝導絶縁層が被覆しており、熱伝導絶縁層上に回路が設置され、回路箇所は半導体チップの設置に利用され、回路の外部露出表面上はハンダマスク層が被覆しており、当該熱伝導絶縁層は回路を介して当該半導体チップの高熱を迅速に伝導して、当該半導体チップの正常な作用温度を維持する熱伝導効率の高い回路板。
6. ダイヤモンド膜熱伝導絶縁層は熱フィラメント化学気相成長（Ｈｏｔ Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成されている請求５記載の高熱伝導性プリント回路板。
7. ダイヤモンド膜熱伝導絶縁層はマイクロ波プラズマ化学気相成長（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成されている請求項５記載の高熱伝導性プリント回路板。
8. 主に基板上をダイヤモンドライクカーボン膜で製造されている熱伝導絶縁層が被覆しており、熱伝導絶縁層上に回路が設置され、回路箇所は半導体チップの設置に利用され、回路の外部露出表面上はハンダマスク層が被覆しており、当該熱伝導絶縁層は回路を介して当該半導体チップの高熱を迅速に伝導して、当該半導体チップの正常な作用温度を維持する熱伝導効率の高い回路板。
9. ダイヤモンドライクカーボン膜は陰極アーク物理気相成長（Ｃａｔｈｏｄｉｃ Ａｒｃ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成されている請求項８記載の高熱伝導性プリント回路板。
10. ダイヤモンドライクカーボン膜はスパッタリング物理気相成長（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成されている請求項８記載の高熱伝導性プリント回路板。