JP2011253859A - 接着層付き基板、放熱性実装基板、接着層付き基板の製造方法、および放熱性実装基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱性実装基板あるいは放熱性実装基板に用いる接着層付き基板において、放熱基板に対する保護フィルムを不要として製造コストを下げ、放熱効率も向上させる。
【解決手段】 基板における前記の放熱板側に位置する表面は、凹凸の高さが１．０ミクロンメートル以上１０ミクロンメートル以下の範囲となる表面粗さとし、 放熱板における前記の基板側に位置する表面には、絶縁層を備え、 基板と前記の放熱板との間には、接着層を備える。 その接着層は、前記の基板における放熱板側の頭頂部が前記の絶縁層に対して１０ミクロンメートル以下となるように形成するとともに、熱硬化性樹脂系の接着剤にて放熱性実装基板を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品から発生する熱を放熱させる基板において放熱効率を高めた放熱性実装基板および放熱性実装基板の製造方法等に関する。

IC、CPUなどの電気電子部品や発光するＬＥＤなどは、高性能化、高機能化、大容量化に伴い、作動時には発熱を伴う。この発熱を原因とする熱暴走が生じると、部品の破損、制御不能、性能劣化が発生する。こうした事態を防止するためには、熱の除去を目的とした放熱対策が必要とされている。
基板回路を形成する通電性を有する金属箔や金属板において、「その金属箔（または金属板）から放熱させるための放熱板または放熱シート」を当該金属箔（または金属板）へ接着するには、接着剤を塗布して密着させるという加工法が一般的である。

特許文献１には、多数のＬＥＤを用いた発光モジュールにおいて、「デバイスホール内に延設されて発光ダイオードと電気的に接続する放熱性インナーリードから配線パターンを介して外部に排熱させる」という技術が開示されている。

特許文献２には、ＬＥＤの実装密度を高めつつ、放熱効率を高めるため、「デバイス実装面の表面に、電気絶縁層を介して、各種の高熱伝導性材料による高熱伝導層９を積層する事により、放熱性を高めた実装基板を得る。基板製造においては、高熱伝導層を積層したカバーレイフィルムを用いる」という技術が開示されている。

電子部品（この例では発光ダイオード）を実装し、放熱基板を備えた放熱性実装基板の製造の典型的な技術について、図８に基づいて説明する。
発光ダイオードを実装する基板と、その基板における電子部品から発生する熱を放熱させるための放熱板とを、接着層を介して固定する。前記の放熱板における少なくとも基板側の表面は、絶縁層を備えている。基板にはエッチングが施され、発光ダイオードが固定される。
また、前記の接着層には、熱伝導性のあるフィラーを混入し、放熱性を高めることが一般的である。
前記の基板における前記の放熱板側に位置する表面は、凹凸の高さをできるだけ小さくなるように、すなわち、できるだけ円滑な面となることが、放熱効率を高めるために望ましいとされている。 できるだけ円滑な面とすることは、接着層の形成において、気泡が混入することを防止することにも寄与する。

放熱基板は、アルミニウム製の板材や箔の表面に絶縁のためのアルマイト処理（アルミナのコーティング）を施したものが、最も広く用いられる。
前記の接着層を形成する接着剤としては、特許文献３に開示されるような、エポキシ系樹脂およびポリイミド系樹脂を含む樹脂組成物や接着フィルムに関する技術が開示されている。 低温短時間で貼り合わせ加工が可能であり、高温時の耐熱信頼性には優れているため、多用されている。

特開２００９−２９０１６７号公報 特開２００８−２０５４５３号公報 特開２００２−１２８４５号公報

接着剤に混合しているフィラーは、窒化アルミニウムやアルミナなどが一般的である。こうした素材のフィラーは非常に硬質なので、接着剤との混合の際に、混合させるための混合釜を摩耗させる。そのため、フィラーを混合した接着剤に異物が混入するおそれがあるという問題が生じる。 また、混合釜を摩耗させることを原因とする製造コストの上昇を招く。

基板に対するエッチングは、酸やアルカリの溶液を用いるが、そうした溶液から放熱基板の絶縁層（アルマイト処理によるアルミナ層）を保護するため、エッチング工程においては放熱基板に対する保護フィルム（によるマスキング工程）が必要となる。 その保護フィルム（およびマスキング工程の存在）が製造コストの上昇を招くだけでなく、その保護フィルムに発生した静電気が異物混入の原因となる場合もある。

接着層の形成において、気泡が混入することを防止するには、接着剤の粘度を低くすることが望ましい。しかし、粘度の低い接着剤は、基板に接着層を形成する製造時に扱いにくい、という問題がある。
そのため、基板における放熱板側の面の表面粗さを小さくすることによって、製造時における気泡の混入を抑制しつつ、粘度が高めの接着剤にて製造効率を上げる、という技術が一般的になっている。

本発明が解決すべき課題は、放熱性実装基板あるいは放熱性実装基板に用いる接着層付き基板において、放熱基板に対する保護フィルムを不要として製造コストを下げ、放熱効率も向上させた放熱性実装基板や接着層付き基板およびそれらの製造方法を提供することにある。

（第一の発明）
本願における第一の発明は、 電子部品を実装するための導電性の基板と、その基板の熱を放熱するための放熱板とを備えて形成される放熱性実装基板を製造するのに用いる接着層付き基板に係る。
その接着層は、１０ミクロンメートル以下となるように形成するとともに、樹脂系の接着剤にて形成し、 前記の接着層における基板とは反対側の面には、その接着層を保護するための保護フィルムを貼付した接着層付き基板とする。

（用語説明）
「導電性の基板」とは、金属箔または金属板である。金属としては、銅または銅の合金が最も一般的である。アルミニウムやアルミニウム合金、銀や銀の合金、金や金の合金、錫なども含む。
「放熱板」とは、金属またはセラミックを主材とする材料、もしくは放熱性樹脂にて形成した熱伝導性の高い板材である。 また、「絶縁層」は、たとえば放熱板の材料にアルミニウムを採用した場合には、その表面にアルマイト加工を施して形成する。この場合には放熱板と一体となる絶縁層である。表面処理に限られず、絶縁材料をフィルム状に形成して介在させることとしてもよい。 なお、非導電性のセラミックや樹脂を放熱板として採用した場合には、「絶縁層」が存在しないが、概念的には本願発明に含まれる。放熱板全体が絶縁体だからである。
「接着層」は、たとえば基板に実装する電子部品がＬＥＤである場合には、アクリル系またはポリフェニレンエーテル系の接着剤を用いることが一般的である。これらは、ＬＥＤが発光する際に発する近紫外線による劣化がほとんどないので、近紫外線による劣化が生じるエポキシ系接着剤と異なり、好ましい。

（作用）
第一の発明における保護フィルムを剥離して放熱板に固定すれば、放熱性実装基板を製造することができる。製造された放熱性実装基板は、基板における放熱板側の頭頂部が前記の放熱板（の絶縁層）に対して１０ミクロンメートル以下となるように近接させているため、熱伝導効率が高い。したがって、放熱効率を高めることに寄与できる。
なお、非導電性のセラミックや樹脂を放熱板として採用した場合には、基板に対するエッチング工程の前に、マスキング工程による保護が不要となる。

（第一の発明のバリエーション）
第一の発明は、以下のように形成することもできる。
すなわち、前記の放熱板における前記の基板側に位置する表面には、絶縁層を備える また、接着層は、熱硬化性樹脂系の接着剤とするとともに、前記の基板における放熱板側の頭頂部が前記の絶縁層に対しても１０ミクロンメートル以下となるように形成する。
更に、前記の基板における前記の放熱板側に位置する表面は、凹凸の高さが１．０ミクロンメートル以上１０ミクロンメートル以下の範囲となる表面粗さとする。

基板における前記の放熱板側に位置する表面は、凹凸の高さが１．０ミクロンメートル以上１０ミクロンメートル以下とすることにより、現在の技術水準では容易且つ安いコストにて製造可能な表面粗さであり、結果として本発明に係る放熱性実装基板の製造コストを低減させることに寄与する。

本願における第二の発明は、電子部品を実装する導電性の基板と、その基板の熱を放熱するための放熱板とを備えた放熱性実装基板に係る。
すなわち、前記の基板と前記の放熱板との間には、接着層を備え、 その接着層は、０．５〜１０ミクロンメートル以下となるように形成した放熱性実装基板である。

（第二の発明のバリエーション１）
第二の発明は、前記の接着層は、熱圧着性に優れた樹脂を採用することとしてもよい。

（第二の発明のバリエーション２）
第二の発明は、以下のように構成することもできる。
すなわち、前記の接着層は、熱硬化性樹脂系の接着剤にて、３ミクロンメートル以上３ミリメートル以下とし、前記の基板における放熱板側の頭頂部が前記の絶縁層に対しても１０ミクロンメートル以下となるように形成する。
また、前記の基板における前記の放熱板側に位置する表面は、凹凸の高さが１．０ミクロンメートル以上１０ミクロンメートル以下の範囲となる表面粗さとする。

（第二の発明のバリエーション３）
第二の発明は、前記放熱基板は、表面に絶縁処理されたもの、または絶縁体にて形成すると、より好ましい。

（第二の発明のバリエーション４）
第二の発明は、以下のように形成すると、より好ましい。 すなわち、 前記の接着層は、以下の構造式で示すことができる放熱性実装基板とするのである。

式（１）中の、『Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴、Ｒ⁵、Ｒ⁶およびＲ⁷』は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、炭素原子数１〜６のアルキル基、炭素原子数１〜６のハロゲン化アルキル基またはフェニル基を表す。
ここで、複数のＲ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴、Ｒ⁵、Ｒ⁶およびＲ⁷は、同一であっても異なっていてもよい。
また、式（１）中の −（Ｏ−Ｘ−Ｏ）− は、下記式（２）で表される構造であり、式（１）中の −（Ｙ−Ｏ）− は、下記式（３）で表される繰返し単位である。

式（１）中の『Ｚ』は、炭素原子数１〜３の有機基であって、酸素原子、窒素原子、イオウ原子、ハロゲン原子を含んでいてもよい。
式（１）中の『ａ』および『ｂ』は、少なくとも一方が０でない０〜３００の整数を表す。
式（１）中の『ｃ』および『ｄ』は、それぞれ独立に０または１の整数を表す。

（第三の発明）
第三の発明は、電子部品を実装するための導電性の基板と、その基板の熱を放熱するための放熱板とを備えて形成される放熱性実装基板を製造するのに用いる接着層付き基板の製造方法に係る。
すなわち、前記の基板における前記の放熱板側には、接着層を形成するために樹脂系の接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、 前記の接着剤における揮発成分を乾燥させる乾燥工程と、 前記の接着層における基板とは反対側の面に保護フィルムを貼付する保護フィルム貼付工程とを含む接着層付き基板の製造方法である。

（第四の発明）
第四の発明は、 電子部品を実装するための導電性の基板と、その基板の熱を放熱するための放熱板とを備えた放熱性実装基板の製造方法に係る。
すなわち、前記の放熱板における前記の基板側に位置する表面には、絶縁層を備えており、 前記の基板に対して接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、
前記の接着剤における揮発成分を乾燥させる乾燥工程と、 乾燥工程を経た接着剤を放熱板に接着させるための加圧熱プレス工程と、
を含み、 その加圧熱プレス工程によって前記の基板における放熱板側が前記の絶縁層に対して１０ミクロンメートル以下となるように形成した放熱性実装基板の製造方法である。

（第五の発明）
第五の発明は、前記第二の発明である放熱実装基板と、その放熱性実装基板に固定されるＬＥＤとを備えたＬＥＤ照明ユニットに係る。

本発明によれば、放熱性実装基板あるいは放熱性実装基板に用いる接着層付き基板において、放熱基板に対する保護フィルムを不要として製造コストを下げ、放熱効率も向上させた放熱性実装基板や接着層付き基板およびそれらの製造方法を提供することができた。

本願発明の第一の実施形態を、各構成の寸法を含めて概念的に示した断面図である。 本願発明の第一の実施形態を概念的に示した断面図である。 本願発明の第二の実施形態を概念的に示した断面図である。 本願発明の第三の実施形態を概念的に示した断面図である。 本願発明の第一の実施形態における製造工程を示すフローチャートである。 本願発明の実施形態における主要な製造工程を示す概念図である。 接着層を形成する樹脂に関する性能比較を示す。 従来技術を概念的に示す断面図である。

以下、図１から図７を参照させつつ、本発明を実施形態に基づいて更に詳しく説明する。 ここで、図１、図２および図５は第一の実施形態を示し、図３は第二の実施形態を示し、図４は第三の実施形態を示し、図６は、本願発明の実施形態における主要な製造工程を概念的に示す。図７は、接着層を形成する樹脂に関する性能比較を示したものである。

図１に示すように、導体である実装基板が用意されている。この実装基板は、金属箔または金属板であり、最小の厚さは６ミクロンメートル、最大の厚さは３ミリメートルである。
この金属としては、本実施形態では銅または銅の合金を採用し、ＬＥＤを実装することとする。
基板が１０ミクロンメートル未満の厚さとなると、基板そのものの製造が困難であるとともに、その基板を用いての加工においても扱いが大変であるため、製造時にも加工時にも不良が出やすく廃棄材料が出やすい。この実施形態では、１０ミクロンメートル以上の厚さの銅箔または銅板を採用し、製造時や加工時の歩留まりを向上させている。

放熱板としては、その基材にアルミニウム合金を採用した。そして、その基材の両面にアルマイト加工を施すことによって絶縁性を具備させている。その絶縁層は、約２０ミクロンメートルとした。
なお、図３に示すように、放熱板として非導電性の材料、たとえば絶縁材料であるセラミックや熱可塑性樹脂を採用すれば、わざわざ絶縁層を形成しなくてよい。また、耐酸性、耐アルカリ性に優れた材料を採用すれば、後の加工工程であるエッチング工程において、絶縁層のマスキング工程を省略できる。

金属箔における放熱板側の表面は、表面粗さ（凸凹）が存在する。その凸凹は１０ミクロンメートル以下であり、好ましくは５ミクロンメートル以下である。 この表面粗さの水準は、最先端の実装基板の製造技術においては、簡単に（製造コストを安く）提供できる。 ただし、１．０ミクロンメートル以上の表面粗さが必要である。後述する接着層の形成に必要だからである。

接着層を形成する接着剤は、アクリル系またはポリフェニレンエーテル系の接着剤を用いる。そのため、ＬＥＤが発光する際に発する近紫外線による劣化がほとんどない。
接着層の厚さが５ミクロンメートル以下となるように形成するため、接着層を形成する接着剤の粘度を低くする。具体的には、たとえば塗布時の接触角度が８０度以下となるようにワニス（接着剤成分を有機溶媒で希釈した液状物資）を混合する。

図２に示すのは、接着層を形成した実装基板と放熱板とを加圧熱プレスすることによって固定した状態の放熱性実装基板である。頭頂部は、接着層を形成する物質の分子の大きさである１ナノメートルから１０ミクロンメートルの間となる。
加圧熱プレスの後、実装基板にはエッチングを施し、ＬＥＤを固定する。絶縁層が存在するので、放熱板によってショートすることはない。
接着剤にはフィラーが存在しないので、フィラー混合工程において混入する可能性のある異物を接着層に存在させたりしない。

接着剤を塗布する際の接触角度が８０度以下であり、いわゆるサラサラ状態なので、接着層に空気の混入するおそれも小さい。したがって、接着層に空気が混入することによる熱伝導率の低下も抑制できる。
以上のように製造された放熱性実装基板は、基板における放熱板側の頭頂部が前記の放熱板（の絶縁層）に対して１０ミクロンメートル以下となるように近接させているため、熱伝導効率が高い。したがって、放熱効率を高めることに寄与できる。

図４に示すのは、接着層を形成してから放熱板を固定する放熱性実装基板を直接製造できない場合に、接着層を形成した実装基板の接着層を保護する接着層保護フィルムを貼付した接着層付き基板を製造し（図４（ａ））、それをロールに巻き取った様子（図４（ｂ））を示している。 たとえば、接着層付き基板の製造場所と、放熱性実装基板の製造場所が異なる場合に採用される。また、製造場所が同じであっても、製造速度を制御したりする場合にも採用される。

図５には、基板に対して放熱板を固定し、電子部品を実装するまでの製造工程が示されている。
まず、基板における一面にワニスを塗布し、そのワニスを乾燥させる。そして、保護フィルムを貼付することで、接着層付き基板ができあがる。
ワニス粘度は５０〜５００ｍＰａ・ｓ、塗布方法はグラビア塗工である。粘度が低いため、接着層の中に空気が混入しにくい。 塗工速度は１〜５ｍ／ｓとした。ただし、５ｍ／ｓ以上の速度は可能である。

続いて、貼付した保護フィルムを剥離して接着層をむき出しにした基板を放熱板と向かい合わせ、加熱熱プレスによって両者を固定する。このときの加熱熱プレスの条件は、加圧が１〜２ＭＰａ、加熱温度は、摂氏２００度で６０分とした。加圧は１ＭＰａよりは２ＭＰａの方が、良好であった。 基板に放熱板を固定した状態は、接着層が従来よりも非常に薄い。

基板に放熱板を固定した後、酸やアルカリにてパターンエッチングを行い、電子部品（発光ダイオード＝ＬＥＤ）を実装する。
接着層が従来よりも非常に薄いため、放熱効率が高く、結果としてＬＥＤの実装密度を高めたり、出力の大きなＬＥＤを採用したりすることが可能となり、照明機器としての基板の性能向上に寄与する。

なお、図６には、ワニスを塗布し、放熱板へ固定する様子を概念的に示している。

図７は、接着層を形成する樹脂に関する性能比較を示している。
性能の項目としては、フィルム化、基板の気泡残り、接着性、ＬＥＤ耐光性、の四項目とした。
「フィルム化」とは、フィルム状に加工した際に基板状態で折り曲げてひび割れしないことを基準とした。
「基板の気泡残り」とは、基板状態作製（銅箔上への樹脂コーティング）時に気泡の巻き込みが無いことを基準とした。
「接着性」とは、銅箔ピール強度にて、７N/cm以上を「○」とし、１〜７N/cmを「△」とし、１未満を「× 」とした。
「ＬＥＤ耐光性」とは、ＬＥＤ発光面に樹脂を接し、１０日後に樹脂の劣化具合を調べた。

比較した樹脂は、固形エポキシ樹脂（ｊER1004 、三菱化学製）、液状エポキシ樹脂（ｊER828、三菱化学製）、アクリル樹脂（プレコート200 DR、根上工業製）である。
これらの樹脂との性能比較の結果、請求項に記載した構造式からなるＰＰＥ樹脂が全ての項目にて良い性能であることが判明した。

本願発明は、電子部品を実装する基板の製造業のほか、照明装置や照明ユニットの製造業においても利用可能性を有する。

Claims (10)

1. 電子部品を実装するための導電性の基板と、その基板の熱を放熱するための放熱板とを備えて形成される放熱性実装基板を製造するのに用いる接着層付き基板であって、
   その接着層は、１０ミクロンメートル以下となるように形成するとともに、樹脂系の接着剤にて形成し、
   前記の接着層における基板とは反対側の面には、その接着層を保護するための保護フィルムを貼付した接着層付き基板。
2. 前記の放熱板における前記の基板側に位置する表面には、絶縁層を備え、
   前記の接着層は、熱硬化性樹脂系の接着剤とするとともに、前記の基板における放熱板側の頭頂部が前記の絶縁層に対しても１０ミクロンメートル以下となるように形成し、
   前記の基板における前記の放熱板側に位置する表面は、凹凸の高さが１．０ミクロンメートル以上１０ミクロンメートル以下の範囲となる表面粗さとした請求項１に記載の接着層付き基板。
3. 電子部品を実装するための導電性の基板と、その基板の熱を放熱するための放熱板とを備えた放熱性実装基板であって、
   前記の基板と前記の放熱板との間には、接着層を備え、
   その接着層は、０．５〜１０ミクロンメートル以下となるように形成した放熱性実装基板。
4. 前記の接着層は、熱圧着性に優れた樹脂を採用した請求項３に記載の放熱性実装基板。
5. 前記の接着層は、熱硬化性樹脂系の接着剤にて、３ミクロンメートル以上３ミリメートル以下とし、前記の基板における放熱板側の頭頂部が前記の絶縁層に対しても１０ミクロンメートル以下となるように形成し、
   前記の基板における前記の放熱板側に位置する表面は、凹凸の高さが１．０ミクロンメートル以上１０ミクロンメートル以下の範囲となる表面粗さとした請求項３または請求項４のいずれかに記載の放熱性実装基板。
6. 前記放熱基板は、表面に絶縁処理されたもの、または絶縁体にて形成した請求項３から請求項５のいずれかに記載の放熱性実装基板。
7. 前記の接着層は、以下の構造式で示すことができる請求項３から請求項６のいずれかに記載の放熱性実装基板。
   

   

   式（１）中の、『Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴、Ｒ⁵、Ｒ⁶およびＲ⁷』は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、炭素原子数１〜６のアルキル基、炭素原子数１〜６のハロゲン化アルキル基またはフェニル基を表す。
   ここで、複数のＲ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴、Ｒ⁵、Ｒ⁶およびＲ⁷は、同一であっても異なっていてもよい。
   また、式（１）中の −（Ｏ−Ｘ−Ｏ）− は、下記式（２）で表される構造であり、式（１）中の −（Ｙ−Ｏ）− は、下記式（３）で表される繰返し単位である。
   

   

   

   式（１）中の『Ｚ』は、炭素原子数１〜３の有機基であって、酸素原子、窒素原子、イオウ原子、ハロゲン原子を含んでいてもよい。
   式（１）中の『ａ』および『ｂ』は、少なくとも一方が０でない０〜３００の整数を表す。
   式（１）中の『ｃ』および『ｄ』は、それぞれ独立に０または１の整数を表す。
8. 電子部品を実装するための導電性の基板と、その基板の熱を放熱するための放熱板とを備えて形成される放熱性実装基板を製造するのに用いる接着層付き基板の製造方法であって、
   前記の基板における前記の放熱板側には、接着層を形成するために樹脂系の接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、
   前記の接着剤における揮発成分を乾燥させる乾燥工程と、
   前記の接着層における基板とは反対側の面に保護フィルムを貼付する保護フィルム貼付工程とを含む接着層付き基板の製造方法。
9. 電子部品を実装するための導電性の基板と、その基板の熱を放熱するための放熱板とを備えた放熱性実装基板の製造方法であって、
   前記の放熱板における前記の基板側に位置する表面には、絶縁層を備えており、
   前記の基板に対して接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、
   前記の接着剤における揮発成分を乾燥させる乾燥工程と、
   乾燥工程を経た接着剤を放熱板に接着させるための加圧熱プレス工程と、
   を含み、
   その加圧熱プレス工程によって前記の基板における放熱板側が前記の絶縁層に対して１０ミクロンメートル以下となるように形成した放熱性実装基板の製造方法。
10. 請求項３から請求項７に記載した放熱実装基板と、その放熱性実装基板に固定されるＬＥＤとを備えたＬＥＤ照明ユニット。

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