JP2011159727A

JP2011159727A - プリント基板

Info

Publication number: JP2011159727A
Application number: JP2010019008A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Asaoka; 和也浅岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: JP5540737B2

Abstract

【課題】製造コストの増大を招くことなく冷却性能を確保することができるプリント基板を提供すること。
【解決手段】本発明によるプリント基板１は、樹脂層２と導電層３が交互に積層されてなる基板４と、基板４に機械加工により穿設された貫通孔５と、貫通孔５の外周側に位置する樹脂層２にエッチングにより形成されたエッチング孔６と、貫通孔５に圧入される伝熱部材７と、導電層３のエッチング孔６の内周側に突出する部分であって圧入された後の伝熱部材７を保持する保持部分３ａと、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば乗用車、トラック、バス等の車両や家庭用機器又は産業用機器に適用されて好適なプリント基板に関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＰＭ（Intelligent Power Module）等のスイッチング素子つまり半導体素子が実装されるプリント基板においては、半導体素子は発熱部品となり、効果的な冷却が要求される。このような発熱部品から発生する熱をプリント基板の背面側に伝導した後背面側においてヒートシンク等により適宜冷却するための技術として、例えば特許文献１に記載されているような技術がある。

特許文献１に記載の冷却技術は、プリント基板の発熱部品が実装される部分に、伝熱部材を嵌め込む貫通孔が穿設されており、貫通孔に嵌め込まれた銅コイン、銅インレイ等の伝熱部材を発熱部品に背面から接触させ、発熱部品から発生する熱を実装側の正面側から背面側に伝熱部材の伝導により伝播させることが開示されている。

特開２００９−１７０４９３号公報

ここで、前述した貫通孔に銅インレイ等の伝熱部材を圧入するにあたっては、現状の基板技術においては、銅インレイ径が貫通孔の径よりも例えば３０μｍ以上大きくなると、圧入に伴い生じる応力により貫通孔周辺に亀裂が生じるおそれがある。また、貫通孔はドリル等により穿設するにあたってドリル径のバラツキによってある条件下では±５０μｍの公差が存在する。

このため、通常の精度の基板加工で上述したプリント基板を構成するにあたっては、銅インレイ等の伝熱部材を貫通孔に確実に圧入することが場合によっては困難となり、冷却性能を確保することが困難となる。伝熱部材を貫通穴に確実に圧入するために、貫通穴の加工において例えば公差を±１０μｍ以下とするような高精度な穴あけ加工を行うことも考えられるが、これによっては、製造コストの増大が問題となる。

本発明は、上記問題に鑑み、製造コストの増大を招くことなく冷却性能を確保することができるプリント基板を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明によるプリント基板は、
樹脂層と導電層が交互に積層されてなる基板と、
前記基板に機械加工により穿設された貫通孔と、
前記貫通孔の外周側に位置する前記樹脂層にエッチングにより形成されたエッチング孔と、
前記貫通孔に圧入される伝熱部材と、
前記導電層の前記エッチング孔の内周側に突出する部分であって圧入された後の前記伝熱部材を保持する保持部分と、
を含むことを特徴とする。

前記プリント基板によれば、前記機械加工による穿設と、前記エッチングを組み合わせて前記貫通孔、前記エッチング孔を構成し前記保持部分を構成することにより、前記導電層の一部である前記保持部分に可撓性又は圧縮性を持たせて、前記貫通孔を前記機械加工するにあたって発生する公差を吸収させて、前記貫通孔に要求される許容公差を従来技術よりも大きくすることができる。

本発明によれば、前記貫通孔の穿設にあたっての製造コストの増大を招くことなく、前記伝熱部材を確実に前記貫通孔に圧入して冷却性能を確保することができるプリント基板を提供することができる。

本発明に係るプリント基板の一実施形態を示す模式図である。本発明に係るプリント基板の一実施形態を示す模式図である。本発明に係るプリント基板の一実施形態を示す模式図である。本発明に係るプリント基板の一実施形態を示す模式図である。本発明に係るプリント基板の一実施形態を示す模式図である。本発明に係るプリント基板の一実施形態を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施例のプリント基板１の一実施形態を、貫通孔５及びエッチング孔６の双方の中心軸線を含み、かつ、保持部分３ａを含む断面内にて示す模式図である。図２は、図１に示す本実施例のプリント基板１を貫通孔５に垂直な厚み方向から視て示す模式図である。

図１に示すように、プリント基板１は、三層の樹脂２（樹脂層）と二層の厚銅３（導電層）が交互に積層されてなる基板４により構成される。基板４には、ドリルによる機械加工により穿設された貫通孔５と、貫通孔５の外周側に位置する樹脂２にエッチングにより形成されたエッチング孔６と、が設けられる。さらに、プリント基板１は、貫通孔５に圧入される銅インレイ７（伝熱部材）と、機械加工とエッチングにより形成された、厚銅３（導電層）のエッチング孔６の内周側に突出する部分であって圧入された後の銅インレイ７を保持する「厚銅３の保持部分３ａ」と、を含む。

図１中最上層に位置する樹脂２の上面側及び、最下層に位置する樹脂２の下面側、つまり基板４の表裏面側には、電気回路パターンが形成される。なお、ここでのエッチングは、厚銅３については加工せず、樹脂２のみを加工する選択エッチングを用いる。

本実施例においては、銅インレイ７は円柱形状であり、厚銅３は二層以上であって、二の厚銅３間に位置する樹脂２の積層の方向の厚みである樹脂層厚Ｔｐと、厚銅３の積層の方向の厚みである導電層厚Ｔｃが予め定まる場合に該当する。樹脂層厚Ｔｐは図１中上側の厚銅３から視て、銅インレイ７が圧入される図１中上から下に向かう方向側に位置する樹脂２の厚みである。

本実施例のプリント基板１においては、図２に示すように、保持部分３ａが周方向に９０度毎の等間隔に設けられ、厚銅３の保持部分３ａを構成しない部分は、エッチング孔６の直径よりも若干長い一辺を有する正方形状の開口３ｂを有している。

それぞれの保持部分３ａは開口３ｂの対応するそれぞれの辺から内方かつ垂直に突出させる。保持部分３ａの図１における左右方向の突出量はエッチング孔直径Ｄｅから貫通孔直径Ｄｔを減じた値を二で除した値となる。

次に本実施例のプリント基板１の貫通孔５の穿設及びエッチング孔６の形成及び銅インレイ７の圧入に関する部分の製造方法について図を用いて説明する。図３は、本実施例のプリント基板１の一実施形態を貫通孔５及びエッチング孔６の双方の中心軸線を含み、かつ、保持部分３ａを含む断面内にて、エッチング前後の状態を示す模式図である。

図４は、本実施例のプリント基板１の一実施形態を図３に示した断面内にて、銅インレイ７を圧入し嵌合する前の状態を示す模式図であり、図５は、本実施例のプリント基板１の一実施形態を図４に示した断面内にて、銅インレイ７を圧入し嵌合した後の状態を示す模式図である。図６は、図５に示した本実施例のプリント基板１の一実施形態を厚み方向から視て示す模式図である。

図３に示すように、三層の樹脂２と二層の厚銅３を交互に積層し接合した後、一体となった基板４に対して厚み方向にドリルによって貫通孔５をまず穿設する。この場合、厚銅３を厚み方向に視ると、予めフォトレジスト等の手段によって正方形状の開口３ｂと保持部分３ａを有して、開口３ｂの各辺の中央に凸状の保持部分３ａを構成する部分を残留させる。

開口３ｂのそれぞれの辺から突出する保持部分３ａを構成する部分の先端部はドリルにより樹脂２とともに切削されて、貫通孔５が穿設される。貫通孔５を穿設した後、貫通孔５の外周側に位置する図３中破線で示す部分の樹脂２が上述したエッチングにより選択的に除去されて、エッチング孔６が形成されて、保持部分３ａが貫通孔５の中心軸に指向する形態にて露出される。

次に、貫通孔５に対して円柱形状の銅インレイ７を圧入し嵌合する。この際、図４中貫通穴５の中央に向けて突出する保持部分３ａは、銅インレイ７の圧入に伴い、銅インレイ７の円柱形状の端部に接触され銅インレイ７の外周側に押しのけられて、図５に示すように、エッチング孔６の表面つまり内周面を支点として下方にＬ字型に折り曲げられる。

銅インレイ７の圧入後においては、銅インレイ７の外周面とエッチング孔６の内周面との間に、折り曲げられた保持部分３ａが収納される。周上四箇所の保持部分３ａはそれぞれ可撓性を有しており、図６に示すように、銅インレイ７の圧入に伴う変形により、可撓性に起因して付勢力を発生する。この保持部分３ａが発生する付勢力により、銅インレイ７は、銅インレイ７の中心軸を貫通孔５の中心軸に一致させる方向に、付勢されて保持される。

本実施例においては、銅インレイ７を貫通孔５に圧入嵌合した後固定するため、圧入に伴い銅インレイ７の端部を保持部分３ａに接触させるための第一要件を満たす必要がある。第一要件として、以下の数１に示すように、貫通孔５の貫通孔直径Ｄｔの最大値Ｄｔ（ｍａｘ）は銅インレイ７の伝熱部材直径Ｄｃの最小値Ｄｃ（ｍｉｎ）より小さくする。

また、銅インレイ７を貫通孔５に圧入嵌合して保持部分３ａがＬ字型に変形された後、保持部分３ａの厚み、つまり導電層厚Ｔｃの二倍の厚みを含んで銅インレイ７がエッチング孔６に収納されるための第二要件も満たす必要がある。第二要件として、以下の数２に示すように、エッチング孔６のエッチング孔直径Ｄｅの最小値Ｄｅ（ｍｉｎ）は銅インレイ７の伝熱部材直径Ｄｃの最大値Ｄｃ（ｍａｘ）に導電層厚Ｔｃの二倍を加えた値より大きくする。

さらに、銅インレイ７を貫通孔５に圧入嵌合した後Ｌ字型に折り曲げられてＬ字型に変形された保持部分３ａが銅インレイ７とエッチング孔６との隙間に収納されるための第三要件を満たす必要がある。第三要件として、以下の数３に示すように、エッチング孔直径Ｄｅの二分の一Ｄｅ／２から貫通孔直径Ｄｔの二分の一Ｄｔ／２を減じた値は樹脂層厚Ｔｐよりも小さくする。

ここで、銅インレイ７の伝熱部材直径Ｄｃのバラツキつまり公差が定まっている場合には、数１は、

とおけ、数３は、

とおける。

エッチング孔６のエッチングによる形成のバラツキが限りなくゼロに近くゼロ近似でき、貫通孔５を穿設するにあたり用いるドリルの穴あけバラツキが最大化できる場合を考えると、エッチング孔直径Ｄｅのバラツキは貫通孔直径Ｄｔのバラツキとみなせ、

とおける。

数６に数４及び数５を代入すると、以下の数７を導くことができる。

数３に数７を代入すると、以下の数８を導くことができる。

さらに、厚銅３の導体層厚Ｔｃと二層の厚銅３の間の樹脂２の樹脂層厚Ｔｐが決まっている場合には、数８は以下の数９とおける。

ここで、数９と数７から以下の数１０を導くことができる。

数４から数９を減算することで、貫通孔５の貫通孔直径Ｄｔのバラツキは以下の数１１で表すことができる。

同様に、エッチング孔６のエッチング孔直径Ｄｅのバラツキは以下の数１２で表すことができる。

例えば、数１１において図３に示すように、中カッコ内の銅インレイ７の伝熱部材直径Ｄｃのバラツキが１０μｍで、Ｔｐ＝３００μｍ、Ｔｃ＝７０μｍである場合には、左辺＝２２５μｍとなり、許容公差は２２５μｍとなる。

つまり、本実施例のプリント基板１においては、伝熱部材直径Ｄｃの公差が予め定まる場合に該当し、貫通孔直径Ｄｔの許容公差は、数１２に示したように、樹脂層厚Ｔｐから「伝熱部材直径Ｄｃの公差を二で除した値」を減じ更に導電層厚Ｔｃを減じた値である。

ここで従来技術においては、銅インレイ７の伝熱部材直径Ｄｃが図示しない基板貫通孔よりも３０μｍ以上大きくなることは許容されない場合は、以下の数１３を満たす必要がある。

加えて、以下の数１４の関係を満たす必要がある。

銅インレイ７の伝熱部材直径Ｄｃのバラツキが決まっている場合には、数１３は数１５とおけ、数１４は数１６とおける。

数１５から数１６を減算すると、基板貫通孔の直径のバラツキは以下の数１７で表すことができる。

銅インレイ７の伝熱部材直径Ｄｃのバラツキが１０μｍであるとすると、基板貫通孔の許容公差は２０μｍとなる。

従って、本実施例のプリント基板１においては、貫通孔５を穿設するためのドリルのバラツキを、厚銅３の保持部分３ａの可撓性により吸収することができ、許容公差を大幅に大きくすることができる。

つまり、本実施例のプリント基板１は、通常の精度の基板加工で構成することができる。加えて、通常の精度の加工に基づいて、銅インレイ７を貫通孔５に確実に圧入することができ、圧入が困難となる場合を除外することができる。すなわち、本実施例のプリント基板１によれば、銅インレイ７に基づいて、半導体素子の発生する熱を背面側に適切に伝播させて、冷却性能を確実に保つことができる。

本実施例によれば、プリント基板１において銅インレイ７等の伝熱部材の圧入に伴って、
貫通孔５を例えば公差を±１０μｍ以下とするような高精度な穴あけ加工により構成する必要がないため、製造コストの増大を招くことを防止することができる。

なお、銅インレイ７の直径Ｄｃの最小値Ｄｃ（ｍｉｎ）が例えば４９９５μｍであるとすると、貫通孔直径Ｄｔの最大値Ｄｔ（ｍａｘ）は数４から４９９５μｍとなる。数５から、エッチング孔６のエッチング孔直径Ｄｅの最小値Ｄｅ（ｍｉｎ）は５１４５μｍとなる。さらに、数３及び数６から、貫通孔５の貫通孔直径Ｄｔの最小値Ｄｔ（ｍｉｎ）は４７７０μｍより大きくなり、エッチング孔６のエッチング孔直径Ｄｅの最大値Ｄｅ（ｍａｘ）は、５３７０μｍより小さくなる。

以上から、貫通孔直径Ｄｔは４７７０〜４９９５μｍ、エッチング孔直径Ｄｅは５１４５〜５３７０μｍとなる。これによっても許容公差が２２５μｍであることが分かる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例においては、半導体素子の接地用の端子を図示しないスルーホールを用いて厚銅３に電気的に接続したが、接地用の端子を銅インレイ７のいずれかの箇所に接続して、銅インレイ７を介して厚銅３に電気的に接続することもできる。これによれば、銅インレイ７に接地機能を具備させることができるとともに、スルーホールを省略することができ、部品点数を削減してプリント基板１を簡略化することができる。

また、上述した実施例においては発熱部品として半導体素子を例示したが、半導体素子以外の能動素子、受動素子のいずれをも発熱部品として、銅インレイ７による冷却を行うことができる。

さらに、上述した実施例においては、厚銅３の有する開口３ｂを正方形状としたが、この形態は特に限定されるものではなく、銅インレイ７及び貫通孔５に対して同心円状をなす円形であってもよく、多角形であってもよい。例えば、保持部分３ａ周方向に四以上の複数個等間隔に設置する場合には、五以上の多角形又は円形とすることができる。

加えて、銅インレイ７（伝熱部材）は円柱形状に限定されるものではなく、円錐形状、円錐の先端を切断した形、正方形柱状、長方形柱状でも良い。

なお、上述した実施例においては銅インレイ７が円柱形状としたことに起因して、伝熱部材直径Ｄｃ、貫通孔直径Ｄｔ、エッチング孔直径Ｄｅをそれぞれ、伝熱部材外径、貫通孔内径、エッチング孔内径として用いた。このことは銅インレイ７が円錐形状等の直径を有する形状であれば同様に適用できる。

また、銅インレイ７が、直径の概念を有さない正方形柱状、長方形柱状であれば、正方形又は長方形の辺長方向における銅インレイ７の外径、貫通孔５の内径、エッチング孔６の内径をそれぞれ、伝熱部材外径、貫通孔内径、エッチング孔内径として用いればよい。さらに、銅インレイ７が多角形柱状である場合には、圧入の方向に垂直で銅インレイ７の中心を含む断面内の、銅インレイ７の外径、貫通孔５の内径、エッチング孔６の内径をそれぞれ伝熱部材外径、貫通孔内径、エッチング孔内径として用いればよい。

加えて、上述した実施例においては、銅インレイ７を圧入するにあたって可撓性を有する保持部分３ａが撓んで付勢力を発生する形態としたが、保持部分３ａを銅インレイ７の圧入に伴い圧縮させて圧縮力により付勢力を発生させる形態としてもよい。

さらに、銅インレイ７を圧入するにあたっての圧入力と、プリント基板１全体の圧入に対する耐久性を考慮した上で、保持部分３ａをエッチング孔６から内周側に周方向に連続する円環状に突出させることもできる。この場合、圧入力に対応させて、適宜保持部分３ａの厚みを、保持部分３ａ以外の厚銅３よりも薄く成形することとすることもできる。

本発明は、プリント基板に関するものであり、製造コストの増大を招くことなく冷却性能を確保することができるプリント基板を提供することができるので、乗用車、トラック、バス等の様々な車両に適用して有益なものである。もちろん車両以外の家庭用機器、産業用機器に用いられるプリント基板に適用することも可能である。

１プリント基板
２樹脂（樹脂層）
３厚銅（導電層）
３ａ保持部分
３ｂ開口
４基板
５貫通孔
６エッチング孔
７銅インレイ（伝熱部材）
８銅パターン
８ａビア（端子部）
Ｄｔ貫通孔直径（貫通孔内径）
Ｄｃ伝熱部材直径（伝熱部材外径）
Ｄｅエッチング孔直径（エッチング孔内径）
Ｔｃ導電層厚
Ｔｐ樹脂層厚

Claims

樹脂層と導電層が交互に積層されてなる基板と、前記基板に機械加工により穿設された貫通孔と、前記貫通孔の外周側に位置する前記樹脂層にエッチングにより形成されたエッチング孔と、前記貫通孔に圧入される伝熱部材と、前記導電層の前記エッチング孔の内周側に突出する部分であって圧入された後の前記伝熱部材を保持する保持部分と、を含むことを特徴とするプリント基板。
前記導電層の前記伝熱部材が圧入される方向側に位置する前記樹脂層の前記積層の方向の厚みである樹脂層厚と、前記導電層の前記積層の方向の厚みである導電層厚が予め定まる場合に、前記貫通孔の貫通孔内径の最大値は前記伝熱部材の伝熱部材外径の最小値より小さく、前記エッチング孔のエッチング孔内径の最小値は前記伝熱部材外径の最大値に前記導電層厚の二倍を加えた値より大きく、前記エッチング孔内径の二分の一から前記貫通孔内径から二分の一を減じた値は前記樹脂層厚よりも小さい、ことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板。
前記伝熱部材外径の公差が予め定まる場合に、前記貫通孔内径の許容公差は、前記樹脂層厚から前記公差を二で除した値を減じ更に前記導電層厚を減じた値であることを特徴とする請求項２に記載のプリント基板。
前記保持部分が周方向に設けられることを特徴とする請求項３に記載のプリント基板。
前記導電層が接地用であることを特徴とする請求項４に記載のプリント基板。
前記伝熱部材が接地機能を含むことを特徴とする請求項５に記載のプリント基板。