JP2014192300A - 放熱基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁樹脂層の周囲から気泡や空気塊を除去させることで放熱基板の信頼性を向上させる。
【解決手段】断面が曲率を有した形状に形成した未硬化状態の絶縁性樹脂混練物７が放熱用の金属板８の上に配置される第１の工程と、絶縁性樹脂混練物７の上面側へ金属板８の上面に正対して被固定物９の底面が押圧される第２の工程と、第２の工程を継続して、被固定物９の底面と金属板８との間に所定の厚みを残した面状部と、被固定物９の底面と接する側面側に底面よりも上方に盛り上がった外周部とに絶縁性樹脂混練物７を変形させる第３の工程と、金属板８と変形後の絶縁性樹脂混練物７と被固定物９とを加熱炉へ投入して変形後の形状で絶縁性樹脂混練物７を硬化させるとともに、金属板８と変形後の絶縁性樹脂混練物７と被固定物９とを一体化させる加熱硬化工程とを有する放熱基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器における大電力回路などに使用される、放熱基板の製造方法に関するものである。

以下、従来の放熱基板の製造方法について、図面を用いて説明する。図１０（ａ）、（ｂ）は従来の放熱基板の製造工程図である。従来の熱伝導性基板の製造工程は、まず図１０（ａ）に示すように、金属板１の上に未硬化状態の樹脂混練物２を円柱状として置き、この樹脂混練物２を押圧治具３やあるいは金型（図示せず）によって押圧し、これによって図１０（ｂ）に示すように、金属板１の上に層状で未硬化状態の絶縁樹脂層４を形成していた。

そして、この絶縁樹脂層４の上に発熱部品５を固定するにあたっては、まず未硬化状態の絶縁樹脂層４を加熱することによって硬化状態とし、その後で接着剤６を用いて絶縁樹脂層４へ発熱部品５を固定するという方法や、あるいは、金属板１の上に層状で未硬化状態あるいは半硬化状態の絶縁樹脂層４の上に発熱部品５を配置し、この状態で絶縁樹脂層４を加熱することで硬化させ、この硬化時に生じる接着力を用いて絶縁樹脂層４へ発熱部品５を固定させるものであった。

特開２００６−１５６７１８号公報

しかしながら、従来の放熱基板の製造方法では、金属板１と絶縁樹脂層４との間には気泡や空気塊を生じ難くさせるものの、絶縁樹脂層４と発熱部品５との間には気泡や空気塊が生じやすくなるものであった。

これは、既に層状に形成された絶縁樹脂層４へ接着剤を用いることで発熱部品５を固定することや、あるいは、完全硬化前ではあるものの、既に所定の形状として層状に設けられた絶縁樹脂層４の上に発熱部品５を配置した後で絶縁樹脂層４を完全に硬化させるという順序で固定することから、固定時に抱え込んだ気泡を外部へ逃すことが容易でないという要因から生じるものであった。

そして、接着剤６の内部や、発熱部品５と絶縁樹脂層４との間に生じた気泡や空気塊は、被固定物である発熱部品５から絶縁樹脂層４への伝熱性、発熱部品５と絶縁樹脂層４との固着状態、あるいは発熱部品５と金属板１との絶縁性をそれぞれ劣化させる恐れがあるという課題を有するものであった。

そこで本発明は、被固定物と絶縁樹脂層との間、および金属板と絶縁樹脂層との間の双方から気泡や空気塊を除去させることを目的とするものである。

そこで本発明は、完全硬化前の粘度が極小値となる時点において粘土状に形状を維持する熱硬化性樹脂と無機フィラーとからなり断面が曲率を有した形状に形成した未硬化状態の絶縁性樹脂混練物が放熱用の金属板の上に配置される第１の工程と、この次に、前記絶縁性樹脂混練物の上面側へ前記金属板の上面に正対して被固定物の底面が押圧される第２の工程と、この第２の工程を継続して、前記被固定物の底面と前記金属板との間に所定の厚みを残した面状部と、前記被固定物の底面と接する側面側に前記底面よりも上方に盛り上がった外周部とに前記絶縁性樹脂混練物を変形させる第３の工程と、この後に、前記金属板と変形後の前記絶縁性樹脂混練物と前記被固定物とを加熱炉へ投入して変形後の形状で前記絶縁性樹脂混練物を硬化させるとともに、前記金属板と変形後の前記絶縁性樹脂混練物と前記被固定物とを一体化させる加熱硬化工程とを有することを特徴としたものである。

本発明によれば、被固定物と絶縁樹脂層との間、および金属板と絶縁樹脂層との間の双方から気泡や空気塊を除去させることができる。これにより、被固定物である発熱部品から絶縁樹脂層への伝熱性、発熱部品と絶縁樹脂層との固着状態、あるいは発熱部品と金属板との絶縁性のそれぞれを維持し、放熱基板の信頼性を向上させることが可能となる。

（ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態における放熱基板の製造工程の断面図 本発明の実施の形態における放熱基板の製造工程の第１の斜視図 （ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態における放熱基板の製造工程の押圧時断面図 本発明の実施の形態における放熱基板の製造方法での熱硬化性樹脂の温度と粘度との関係図 本発明の実施の形態における放熱基板の製造方法での上下反転した加熱硬化工程の断面図 本発明の実施の形態における放熱基板の製造方法での完成品の斜視図 本発明の実施の形態における放熱基板の製造方法での金型成形工程の断面図 （ａ）本発明の実施の形態における放熱基板の製造方法での樹脂形状の斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態における放熱基板の製造方法での樹脂形状の断面図 （ａ）本発明の実施の形態における放熱基板の製造工程の第２の斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態における放熱基板の製造工程の第２の押圧時断面図 （ａ）〜（ｂ）従来の放熱基板の製造工程図

以下、本発明の実施の形態の一例について図面を用いて説明する。

（実施の形態）
図１（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態における放熱基板の製造工程図を模式化し、その断面を示したもの、および図２は放熱基板の製造工程の第１の斜視図を示したものである。

まず、放熱基板の製造方法における第１の工程を図１（ａ）を用いて説明する。ここでは、図２にも示すように、未硬化状態で円柱状の絶縁性樹脂混練物７を、放熱に用いる金属板８の上に配置する。

この次の工程として第２の工程で、図１（ｂ）に示すように絶縁性樹脂混練物７の上面側へ被固定物９の底面が押圧される。この押圧工程は、被固定物９と金属板８との間に絶縁性樹脂混練物７を位置させる必要がある。そのため、被固定物９が絶縁性樹脂混練物７を押圧する方向としては、被固定物９の底面を金属板８の上面に正対させ、金属板８に対して垂直方向に押圧することが望ましい。ここで、被固定物９としては発熱性の電子部品や放熱や伝熱を用途とする金属製やセラミック製の放熱ブロックが主に用いられる。

さらにその後の工程として第３の工程として図１（ｃ）に示すように、第２の工程から連続して被固定物９の底面によって絶縁性樹脂混練物７を押圧して絶縁性樹脂混練物７を変形させる。このとき、被固定物９の底面と金属板８との間に位置する変形過程のあるいは変形後の絶縁性樹脂混練物７は、被固定物９と金属板８との絶縁性、被固定物９から金属板８への伝熱性を考慮して所定の厚み寸法が決定されることとなる。

また、被固定物９によって絶縁性樹脂混練物７を押圧したことにより、絶縁性樹脂混練物７は変形に伴って被固定物９の底面に位置する面状部１０と被固定物９の底面からこの底面の外側に広がる外周部１１へと形成される。そして外周部１１は見かけの上で絶縁性樹脂混練物７は被固定物９の側面側でその底面よりも上方へと盛り上がった形状となる。

そしてさらに押圧を継続することで、図１（ｄ）に示すように面状部１０と外周部１１とを所定の寸法値とし、上記の盛り上がった部分の頂部１１ａを有する金属板８の上面からの高さ方向寸法（ｈ２）と面状部１０の厚み寸法（ｈ１）との関係は、高さ方向寸法（ｈ２）＞厚み寸法（ｈ１）となる。

そして第３の工程の後に図１（ｄ）に示すように、金属板８と被固定物９とによって押圧された変形後の状態の絶縁性樹脂混練物７を、加熱硬化工程において加熱炉（図示せず）で加熱する。そこで、絶縁性樹脂混練物７が未硬化状態から硬化状態へと状態が移り変わる際に生じることとなる接着力によって変形後の絶縁性樹脂混練物７と被固定物９と金属板８とを一体化させる。これによって、放熱基板１２を完成させることとなる。

以上の工程によって、硬化後の絶縁性樹脂混練物７つまり絶縁樹脂層１３と金属板８との間、および絶縁樹脂層１３と被固定物９の底面との間には、気泡や空気塊を存在させない、あるいは存在させてもその量を極めて少量とすることが可能となる。

これは、特に未硬化状態で円柱状の絶縁性樹脂混練物７を上下側の双方から押圧することで絶縁性樹脂混練物７を変形させて絶縁樹脂層１３とすることによるものである。被固定物９の底面部および金属板８は絶縁性樹脂混練物７を押圧する際には図３（ａ）に示すように、まず、絶縁性樹脂混練物７は外周に曲率を有することから双方共に絶縁性樹脂混練物７に対して対向する円柱の径方向に位置する点Ａと点Ｂとから接触することとなる。そして、押圧の度合いが進行するに従って図３（ｂ）から図３（ｄ）に進むように、点の接触から面の接触へと広がることとなる。そしてこの接触面は、先にも述べたように絶縁性樹脂混練物７は外周に曲率を有することから、図３（ａ）の点Ａおよび点Ｂを中心にこれらの点を起点として図３（ｂ）の面Ａ１、Ｂ１および図３（ｃ）の面Ａ２、Ｂ２に相当するように左右に徐々接触部分が拡大することとなる。これにより、絶縁性樹脂混練物７の上下面である図３（ｂ）の面Ａ１、Ｂ１および図３（ｃ）の面Ａ２、Ｂ２には気泡や空気塊が孤立して発生や残存することを抑制することができる。この結果として、絶縁性樹脂混練物７を加熱して硬化させた絶縁樹脂層１３については、被固定物９から絶縁樹脂層１３への伝熱性、被固定物９と絶縁樹脂層１３との固着状態、あるいは被固定物９と金属板８との絶縁性のそれぞれを維持し、放熱基板の信頼性を向上させることが可能となる。

また、押圧手段としている被固定物９と金属板８とは共に絶縁樹脂層１３への固着対象であることから接着の工程を更に付加する必要がなく、工数の削減についても有効である。

そして、特に被固定物９と絶縁樹脂層１３との固着については、被固定物９が金型の代用としての機能を果たすため、被固定物９の底面形状に適合した絶縁樹脂層１３の接着面の形状を得ることができる。従って、固着状態を安定化するのみならず、伝熱性についても非常に良好な特性を示すこととなる。

また、被固定物９の底面は必ずしも平面である必要はなく、凹凸が存在しても構わない。つまり、被固定物９を押圧手段として用いるため、絶縁樹脂層１３と被固定物９との接触面は被固定物９の底面に対応した形状となる。被固定物９の底面に凹凸が存在する場合は、気泡や空気塊が孤立して発生しないように、被固定物９の底面に孤立した凹部を形成させずに、被固定物９から絶縁樹脂層１３へ向けて分散しつつ、あるいは孤立しつつ突出した凸部であればよい。

ここで図１（ａ）に示すように、第１の工程で未硬化状態にて円柱状としていた絶縁性樹脂混練物７を、図１（ｄ）に示すように第３の工程や加熱硬化工程で、絶縁性樹脂混練物７を十分に押圧することで変形させて絶縁性樹脂混練物７が被固定物９の側面側では被固定物９の底面よりも上方へと盛り上がった形状とするために、完全硬化前の粘度が極小値となる時点において粘土状に形状を維持することとさせている。

これは図４の熱硬化性樹脂の温度と粘度との関係図に示すように熱硬化性の樹脂が加熱により最終的に完全硬化へと至る場合、例えば６０℃程度の温度以下では高い状態の粘度であったものが、６０℃から８０℃以上の温度とすることで一時的には粘度が低下して樹脂の流動性が高くなる（押圧するのはこのタイミングで行うこととなる。）。

そして、実際の工程では押圧後となる、上記の温度よりも高い温度の状態を所定期間継続することで樹脂を完全硬化の状態へと移行させる。本発明では、図１（ｄ）へと至る第１の工程から加熱硬化工程の前までは、概ね６０℃から８０℃程度の温度を加えることになる。そして、図１（ｄ）の状態に加熱する加熱硬化工程では、１７０℃程度の温度として硬化を行う。また、１７０℃付近での樹脂の物性値として１００（Ｐａ・ｓ）以上の値の粘度であること、あるいは図１（ｄ）の上下を反転させても重力によって絶縁性樹脂混練物７が流れ落ちない水準の粘度を加熱の過程での絶縁性樹脂混練物７が維持することとなる。つまり、図５に示すように加熱硬化工程を、上側に配置した金属板８の下面に絶縁性樹脂混練物７を配置し、この絶縁性樹脂混練物７を下方から被固定物９によって押圧する工程の形態としても工程としての適用が可能なように、絶縁性樹脂混練物７を所定の形状を維持可能として液状化することのない粘土状の粘度特性を有したものとすればよい。

また、図１（ｂ）に示すように絶縁性樹脂混練物７の幅寸法あるいは径寸法Ｗ１と被固定物９の幅寸法Ｗ２との関係はＷ１＞Ｗ２を維持することが望ましい。これは、図６の完成状態の放熱基板の斜視図に示すように、被固定物９の周囲を全周にわたって絶縁樹脂層１３（絶縁性樹脂混練物７）の余剰部位として盛り上がった外周部１１の頂部１１ａを存在させるためのものである。同様に絶縁性樹脂混練物７の長手方向寸法も、被固定物９の長手方向寸法よりも大きいことが望ましい。これにより、絶縁樹脂層１３（絶縁性樹脂混練物７）は必ず金属板８と被固定物９との間に介在することとなるため、被固定物９と金属板８との絶縁性や被固定物９から金属板８への伝熱に関しての信頼性を維持することができる。

また同時に、絶縁樹脂層１３（絶縁性樹脂混練物７）の余剰部位として盛り上がった外周部１１の頂部１１ａは被固定物９と金属板８との沿面距離を大きくすることともなる。このため、被固定物９と金属板８との絶縁性に関しては、絶縁樹脂層１３（絶縁性樹脂混練物７）が介在することによる樹脂が物性値として有する絶縁性と、絶縁性樹脂混練物７の変形に伴って沿面距離を大きくすることによる要因との双方で絶縁性を向上させることができる。これに加えてさらに、金属板８の被固定物９を配置した面は絶縁樹脂層１３（絶縁性樹脂混練物７）の余剰部位として盛り上がった外周部１１の頂部１１ａを存在させるために、絶縁樹脂層１３（絶縁性樹脂混練物７）の配置は金属板８の一面に薄く広がるのではなく、金属板８上の一部に限定されて偏ることとなり、金属板８の露出部分は大きな面積を有することになる。従って、金属板８から周囲環境への熱の放出が効率よく行われることともなる。図６では被固定物９の周囲を全周にわたって被固定物９の底面の位置よりも盛り上がった外周部１１を有する形態の例を示しているが、盛り上がった外周部１１は例えば絶縁が特に重要とされる被固定物９からの方向にのみ限定して設けても構わない。

以上の実施の形態の一例としては、特に図１（ｄ）に示すように加熱硬化工程までの段階で、絶縁性樹脂混練物７を被固定物９によって押圧することのみによる絶縁樹脂層１３の形成について説明した。これに加えて絶縁樹脂層１３の形状の規定を的確な状態とするために、図７の金型成形工程の断面図に示すように、成形金型１４を絶縁性樹脂混練物７の周囲に配置したうえで、絶縁性樹脂混練物７を被固定物９によって押圧するとよい。これにより、絶縁性樹脂混練物７の粘度や、工程における温度設定の状態が多少変動する場合であっても、絶縁性樹脂混練物７が流出することが無いのは当然ながら、絶縁樹脂層１３（絶縁性樹脂混練物７）の外周部１１の寸法や頂部１１ａの高さを詳細に規定できるため、絶縁性その他の特性について厳密な信頼性向上が可能となる。また、絶縁樹脂層１３（絶縁性樹脂混練物７）が限定した少量であっても、絶縁樹脂層１３は被固定物９の天面以外を覆うことができ、被固定物９から金属板８への伝熱特性を向上させることとなる。

また、以上の実施の形態の一例としては、絶縁性樹脂混練物７は図２に示すように円柱状として説明したが、絶縁性樹脂混練物７の外周、特に、被固定物９および金属板８に対して接触する部分が曲率を有した形状であれば円柱状にこだわる必要はない。例えば図８（ａ）の斜視図および図８（ｂ）の断面図に示すように、金属板８と被固定物９との間に配置する絶縁性樹脂混練物７の形状としては、両側に膨らみを有した両面凸形レンズ状としたものや、あるいは断面形状が楕円状のラグビーボール状としたものであっても構わない。そして、絶縁性樹脂混練物７が有する曲率は金属板８に直交する軸に対して線対称であることが望ましい。これとともに、曲率部分の最も突出した部分、すなわち図３（ａ）に示す点Ａおよび点Ｂを被固定物９と金属板８とによって押圧することで、絶縁性樹脂混練物７と、被固定物９および金属板８との間に気泡や空気塊が孤立して発生することを抑制することができる。

以上の説明では、図２や図６に示すように絶縁性等を考慮して絶縁性樹脂混練物７の体積を大きくし、被固定物９の周囲全周やあるいは周囲の一部を外周部１１として沿面距離を考慮した放熱基板としている。しかしながら、仮に被固定物９が樹脂により封止されることなどによって絶縁処理が施されていることで、被固定物９が大きな絶縁性を要求する必要が無い場合においては第３の工程として、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁性樹脂混練物７を被固定物９の体積よりも小さく少量とする。そして、被固定物９の底面と金属板８との間に所定の厚みを残して被固定物９の底面に包含される領域内に絶縁性樹脂混練物７を変形させて絶縁樹脂層１３を形成させても構わない。これにより、文字通り使用する絶縁性樹脂混練物７を削減できるとともに、絶縁樹脂層１３は被固定物９の底面内の領域に留まるため、ここでは図示してはいないが他のデバイスを隣接して実装することが可能となり、放熱基板を使用する電子機器の小型化が可能となる。当然ながら、被固定物９および金属板８によって絶縁性樹脂混練物７を押圧する面積も小さくなるため、これらの接触部分に気泡や空気塊が孤立して発生や残存することをより一層抑制することができる。

本発明の放熱基板は、放熱基板の絶縁性、伝熱性について信頼性を向上させる効果を有し、各種電子機器において有用である。

７ 絶縁性樹脂混練物
８ 金属板
９ 被固定物
１０ 面状部
１１ 外周部
１１ａ 頂部
１２ 放熱基板
１３ 絶縁樹脂層
１４ 成形金型

Claims (3)

1. 完全硬化前の粘度が極小値となる時点において粘土状に形状を維持する熱硬化性樹脂と無機フィラーとからなり断面が曲率を有した形状に形成した未硬化状態の絶縁性樹脂混練物が放熱用の金属板の上に配置される第１の工程と、
   この次に、前記絶縁性樹脂混練物の上面側へ前記金属板の上面に正対して被固定物の底面が押圧される第２の工程と、
   この第２の工程を継続して、前記被固定物の底面と前記金属板との間に所定の厚みを残した面状部と、前記被固定物の底面と接する側面側に前記底面よりも上方に盛り上がった外周部とに前記絶縁性樹脂混練物を変形させる第３の工程と、
   この後に、前記金属板と変形後の前記絶縁性樹脂混練物と前記被固定物とを加熱炉へ投入して変形後の形状で前記絶縁性樹脂混練物を硬化させるとともに、前記金属板と変形後の前記絶縁性樹脂混練物と前記被固定物とを一体化させる加熱硬化工程とを有する放熱基板の製造方法。
2. 未硬化状態の絶縁性樹脂混練物は円柱状に形成した請求項１に記載の放熱基板の製造方法。
3. 完全硬化前の粘度が極小値となる時点において粘土状に形状を維持する熱硬化性樹脂と無機フィラーとからなり断面が曲率を有した形状に形成した未硬化状態の絶縁性樹脂混練物が放熱用の金属板の上に配置される第１の工程と、
   この次に、前記絶縁性樹脂混練物の上面側へ前記金属板の上面に正対して被固定物の底面が押圧される第２の工程と、
   この第２の工程を継続して、前記被固定物の底面と前記金属板との間に所定の厚みを残して前記被固定物の底面に包含される領域内に前記絶縁性樹脂混練物を変形させる第３の工程と、
   この後に、前記金属板と変形後の前記絶縁性樹脂混練物と前記被固定物とを加熱炉へ投入して変形後の形状で前記絶縁性樹脂混練物を硬化させるとともに、前記金属板と変形後の前記絶縁性樹脂混練物と前記被固定物とを一体化させる加熱硬化工程とを有する放熱基板の製造方法。

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