JP2014527304A - 金属クラッド回路基板 - Google Patents
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Abstract
金属クラッド回路基板(102)は、金属基板(120)を含む。誘電体層(122)がその金属基板へ塗布される。導電性シード層(124)が誘電体層へ印刷される。導電性回路層(126)が導電性シード層上へめっきされる。任意ではあるが、導電性シード層は、誘電体層上へインクジェット印刷される。或いは、導電性シード層は、誘電体層上へパッド印刷されてもよい。任意ではあるが、誘電体層は、金属基板へ粉末コーティングされてもよい。誘電体層は、金属基板へ圧縮成形されるポリマとフィラーを含むことができる。任意ではあるが、導電性回路層は、導電性シード層へ電気めっきされてもよい。任意ではあるが、はんだマスク(128)が導電性回路層上へ塗布されることができる。
Description
本明細書の主題は、一般的に熱伝導性基板、及び特に金属クラッド回路基板に関する。
現在、固体半導体照明市場では、発光ダイオード(LED)が金属クラッド回路基板に取り付けられている。これらの金属クラッド回路基板は、LEDの適切な熱拡散や放熱のために高出力LED問題解決のために有用である。
金属クラッド回路基板は、典型的には、アルミニウム板のようなベース材料を含み、この板は、絶縁性であるが多少熱伝導性を有する層を有し、そのベースアルミニウムをその絶縁層の上面の銅トレースから絶縁する。金属クラッド回路基板は、FR4回路基板のようなガラスエポキシ材料から作られる従来のプリント回路基板のようにサブトラクティブ法によって製造される。銅板が絶縁層に塗布され、そしてその銅板は、エッチングで除去されて必要な回路トレースを生成する。そのようなプロセスは、サブトラクティブ法と呼ばれて回路基板基板へ塗布された銅板からエッチングや機械加工を介して銅を除去して回路トレース形状を得る。典型的には、はんだマスクがこのトレースの上に配置される。
サブトラクティブ法によって製造された回路基板には、不利な点が無いわけではない。例えば、新たな形状や回路が必要になるたびに、フォトレジストエッチプレートが生成されることが必要である。この技術は、その回路形状が作られることができる前に時間とお金の投資を必要とする。
解決されるべき問題点は、コスト効率が良く且つ信頼できる方法で製造されることができる金属クラッド回路基板が必要なことである。効率的な熱消散を有する金属クラッド回路基板の必要性がある。
その解決策は、金属基板を有する金属クラッド回路基板によって達成される。誘電体層がその金属基板へ塗布される。導電性シード層は、誘電体層上に印刷される。導電性回路層は、導電性シード層上にめっきされる。任意ではあるが、導電性シード層は、誘電体層へインクジェット印刷されることができる。或いは、導電性シード層は、誘電体層へパッド印刷されてもよい。任意ではあるが、誘電体層は、金属基板へ粉末コーティングされることができる。誘電体層は、金属基板へ圧縮成形されるポリマとフィラーを含むことができる。任意ではあるが、導電性回路層は、導電性シード層へ電気めっきされることができる。任意ではあるが、はんだマスクが導電性回路層上へ塗布されることができる。
本発明が添付の図面を参照して例として記述される。
一実施形態において、金属基板を有する金属クラッド回路基板が提供される。誘電体層がその金属基板へ塗布される。導電性シード層がその誘電体層へ印刷される。導電性回路層は、導電性シード層へめっきされる。任意ではあるが、導電性シード層は、誘電体操へインクジェット印刷される。或いは、導電性シード層は、金属基板へ粉末コーティングされてもよい。任意ではあるが、誘電体層は、金属基板へ粉末コーティングされてもよい。誘電体層は、金属基板へ圧縮成形されるポリマとフィラーを含むことができる。任意ではあるが、導電性回路層は、導電性シード層へ電気めっきされることができる。任意ではあるが、はんだマスクが導電性回路層へ塗布されることができる。
例示的実施形態では、導電性シード層と導電性回路層は、アディティブ(加法)プロセスによって誘電体層へ塗布される。任意ではあるが、導電性シード層も導電性回路層も銅板からエッチングされない。
任意ではあるが、金属基板は、第1の表面と第2の表面を含み、そこでは、第1の表面は、ヒートシンクへ取付けられ、且つ誘電体層は第2の表面に塗布される。金属基板は、金属クラッド回路基板の全厚の少なくとも半分である。固体半導体照明デバイスが機械的且つ電気的に導電性回路層へ接続されることができる。
他の実施形態において、金属基板を有する回路基板が提供される。誘電体層がその金属基板に塗布される。導電性シード層は、誘電体層に印刷される。導電性回路層は、導電性シード層上にめっきされる。固体照明デバイスが機械的且つ電気的に導電性回路層へ接続される。
更なる実施形態において、金属基板を有する金属クラッド回路基板が提供される。誘電体層がその金属基板に塗布される。誘電体層は、金属基板へ粉末コーティングされる。導電性シード層が誘電体層へ印刷される。導電性回路層が導電性シード層上へめっきされる。
図1は、例示的実施形態に従って形成されたLEDアセンブリ100の斜視図である。LEDアセンブリ100は、金属クラッド回路基板102を含み、この金属クラッド回路基板102は、その金属クラッド回路基板102の上面106へ取付けられた複数のLED104を有する。金属クラッド回路基板102の底面108は、ヒートシンク110へ取付けられる。金属クラッド回路基板102は、LEDアセンブリ100における以外の他の用途で使用されることができる。例えば、金属クラッド回路基板102は、電力デバイス、アンテナ、又は他の用途の一部として使用されることができる。
電力コネクタ112は、LEDアセンブリ100へ電力を供給するためにLEDアセンブリ100へ電気的に接続されるように構成される。金属クラッド回路基板102は、その金属クラッド回路基板102のエッジに近接する複数の電力パッド114を含む。電力コネクタ112は、その電力コネクタ112が電力パッド114と係合するように金属クラッド回路基板102へ連結される。電力は、電力パッド114を介して金属クラッド回路基板102へ供給される。
その金属クラッド回路基板102は、熱伝達をヒートシンク110へ提供してLED104のような、金属クラッド回路基板102に取り付けられた部品を冷却する金属基板を含む。金属クラッド回路基板102の金属基板は、ガラスエポキシやFR4材料から製造される回路基板のような、他のタイプの回路基板よりもより良好に熱伝達する。金属クラッド回路基板102の金属基板は、他のタイプの回路基板ほど壊れ易くない機械的に堅牢な基板を提供する。金属クラッド回路基板102は、LED104のために低動作温度を提供し、LED104からの熱を消散するための熱効率を増加している。金属クラッド回路基板102は、高い耐久性を有し、追加の熱伝達層の必要性を制限することによってサイズの減少を達成することができる。
金属クラッド回路基板102は、特定の用途に従って種々のサイズや形状を有することができる。図示の実施形態において、金属クラッド回路基板102は、長尺状であり、形状が矩形である。LED104は、上面106に沿って列状に配置されている。他の実施形態では、LED104の他の構成が可能である。特定の用途及び望ましい照明効果に依り、任意の数のLED104が上面106上に設けられる。金属クラッド回路基板102は、代替の実施形態では形状が大まかに円形であってもよい。LEDアセンブリ100は、金属クラッド回路基板102の上面106上に他の電子部品を含んでいてもよい。例えば、LEDアセンブリ100は、キャパシタ、抵抗器、センサ等の他の電子部品を上面106上に含むことができる。
図2は、例示的実施形態に従って形成された金属クラッド回路基板102の断面図である。この金属クラッド回路基板102は、金属基板120、その金属基板120へ塗布された誘電体層122、誘電体層122上に印刷された導電性シード層124、導電性シード層124上にめっきされた導電性回路層126、及び導電性回路層126上に塗布されたはんだマスク層128を含む。異なる層が異なる特性を有するように画定される。それらの異なる層は、異なる材料から形成されることができる。異なる層は、他の層上に付着することができる。金属クラッド回路基板102は、代替の実施形態において他の層を有することができ、これらの層は、上で定義された層同士間に介在されてもよい。一つの層は、他の一つの層に関してそれに付着する、それの上に塗布される、それに対して塗布される等と共に、両層の間に介在される他の層を有すると呼ばれる。一つの層は、他の一つの層に関して、この層がその他の一つの層に係合し且つ両層の間に介在する他の層が無い場合、その他の層に直接付着する、それの上に直接塗布される、それに対して直接塗布される等と呼ばれる。金属クラッド回路基板102は、代替の実施形態ではより少ない層を有するように製造することができる。
金属基板120は、金属クラッド回路基板102の底面108に設けられる。金属基板120は、第1の表面130と第2の表面132との間に延在する。その第1の表面130は、ヒートシンク110(図1に示されている)に取り付けられるように構成される。任意ではあるが、熱インターフェース材料(図示せず)は、ヒートシンク110とのインターフェースのために第1の表面130へ塗布されることができる。誘電体層122は、第2の表面132に塗布される。金属基板120は、第1と第2の表面130,132の間で測定された厚さ134を有する。
金属基板120は、アルミニウム材料、銅材料等の高熱効率を有する材料から作製される。金属基板120は、LED104(図1に示されている)ような、金属クラッド回路基板102へ取付けられた部品からの熱を効率的に伝達する。厚さ134は、上面106と底面108との間で測定される金属クラッド回路基板102の全体の厚さの少なくとも半分である。厚い金属基板102を有することによって金属クラッド回路基板102に剛性と堅牢さを与える。
誘電体層122は、金属基板120と導電性シード層124との間に配置される。誘電体層122は、金属基板120を導電性シード層124から電気的に絶縁する。誘電体層122は、低い熱抵抗を有し、それによって効率的熱伝導が金属基板120に対して生じ得る。誘電体層122の厚さ並びに誘電体層122のために使用される材料のタイプは、誘電体層122の熱伝導率と熱抵抗特性に影響を及ぼし得る。誘電体層122は、誘電体層122を介する金属基板120への効率的な熱伝導を可能とするために比較的薄い。例示的実施形態では、誘電体層122は、略0.002インチ(0.051mm)と0.003インチ(0.076mm)との間である。代替の実施形態では、誘電体層122の他の厚さも可能である。
誘電体層122は、金属基板120と導電性シード層124及び/又は導電性回路層126との間の電気的絶縁を維持するために適切な誘電特性を維持することが必要である。例えば、誘電体層122は、2500ボルトのような予め決定された電圧レベルに耐える定格を有することが必要である。誘電体層122の厚さ並びに誘電体層122のために使用される材料のタイプは、誘電体層122の誘電特性と有効性に影響を及ぼし得る。種々の実施形態において異なるタイプの誘電材料が使用されることができる。例示的実施形態において、誘電体層122は、ポリマ粒子から製造される。任意ではあるが、誘電体層122は、誘電体層122の熱効率のような、誘電体層122の特性を変化するためにポリマと混合されるフィラーや他の粒子を含むことができる。例えば、アルミナや窒化ホウ素粒子のような粒子が誘電体層122の熱伝導性を高めるためにポリマ粒子へ添加されてもよい。他のタイプのフィラーが誘電体層122の他の特性を変化するために混合物へ添加されてもよい。
図6は、種々の厚さを有する誘電体層122としての使用のため、種々の誘電体202乃至214の熱伝導抵抗レベルを描く、例示的熱性能チャートを描いている。図示の実施形態では、誘電体の厚さは、約0.001インチ(0.025mm)から0.0025インチ(0.064mm)の範囲である。代替の実施形態では、他の厚さが可能である。誘電体202乃至214は、粉末、フィルム、エポキシであるか又は他の形態になってもよい。誘電体202乃至214は、異なる濃度の材料を有する。代替の実施形態では、他のタイプの誘電体が使用されることができ、且つ図6に描かれている誘電体202乃至214は、単なる例示である。
図2に返って、誘電体層122は、異なるプロセスを使用して金属基板120へ塗布されることができる。例示的実施形態において、誘電体層122は、粉末化されて金属基板120へ被覆される。誘電体層122は、金属基板120へ圧縮形成されることができる、ポリマとフィラーの混合物よりなる微粉末粒子を含む。異なるタイプのフィラーが、誘電体層122の特性を変更するために使用されてもよい。
代替の実施形態において、誘電体層122は、金属基板120へ塗布されたエポキシであってもよい。例えば、誘電体層122は、ポリマ、フィラー及びシリコン被覆マイラー(Mylar)フィルム上に広げられる溶剤の混合物を含む懸濁液を含むことができ、この懸濁液は、中間ステージで部分的に硬化され、次に金属基板120へ移動される。次に、混合物は、金属基板120へ圧縮成形される。硬化されると、懸濁液は、金属基板120との良好な接触のための均一及び/又は孔の無い表面を有することができる。他の代替の実施形態では、誘電体層122は、金属基板120へ塗布される、マイラーフィルムのようなフィルムを含むことができる。
導電性シード層124は、誘電体層122へ塗布される。例えば、導電性シード層124は、誘電体層122へ印刷される導電性インクを含むことができる。任意ではあるが、その導電性インクは銀インクであってもよい。導電性シード層124は、接着促進剤のような添加剤を含むことができる。例示的実施形態では、導電性インクは、インクジェット印刷プロセスを使用して誘電体層122上に印刷される。代替の実施形態では、導電性インクは、パッド印刷やスクリーン印刷を使用して誘電体層122へ塗布されることができる。代替の実施形態では、他のプロセスが導電性インクを誘電体層122へ塗布するために使用されることができる。
導電性シード層124は、金属クラッド回路基板102上にベース導電性トレースを形成する。ベース導電性トレースが塗布されると、このベース導電性トレースは、銅又は他の導電性材料がオーバーめっきされて導電性回路層126を形成する。銅は、迅速に堆積し得る。導電性回路層126は、電気輸送能力を向上するために厚い層として塗布されることができる。ベース導電性トレースは、錫のような他の元素がオーバーめっきされて環境保護及びはんだ付け可能表面を提供してもよい。錫は、めっきプロセス中に塗布されて導電性回路層126の一部を生成することができる。導電性シード層124と導電性回路層126は、共に金属クラッド回路基板102の導電性トレースを画定する。
例示的実施形態において、導電性回路層126は、導電性シード層124によって画定されるベース導電性トレースへ電気めっきされて導電性回路層126を形成する。導電性回路層126は、導電性シード層124よりもかなり高い電流搬送能力を有し、それは、金属クラッド回路基板102の電流搬送能力を増加する。例えば、導電性シード層124は、導電性回路層126の電気めっきを可能とするに十分な電流搬送能力を有する。導電性シード層124へ電気めっきされる導電性回路層126は、LED104(図1に示される)に電力供給することのような特定の用途のための十分な電流搬送能力を有する。
例示的実施形態において、電気めっきを達成するために、導電トレースの全ては、一つの回路の部分として共通化されることが必要である。導電性シード層124は、そのような回路を画定し、次に、それは電気めっきされて導電性回路層126を形成する。回路共通部と呼ばれる予め決定されたエリアは、電気めっきプロセスの後に除去されて金属クラッド回路基板102の導電性トレースを生成する。この回路共通部は、フライス削りプロセス、レーザ除去プロセス、化学的除去プロセス、電気機械加工プロセス等によって除去されることができる。
代替の実施形態において、導電性回路層126は、無電解めっき(化学的めっき)されてもよい。金属クラッド回路基板102は、そのような実施形態において導電性シード層124を備えていても備えていなくてもよい。代替の実施形態では、熱と圧力を使用する機械的めっき、他のタイプの化学的めっき、金属化等のような他のタイプの導電性回路層126のめっきが利用されてもよい。
はんだマスク層128は、選択的に導電性回路層126上へ塗布されて腐食等から導電性回路層126を保護する。導電性回路層126の部分は、はんだマスク層128を介して露出され部品の導電性回路層126へのはんだ付けを可能とする。例示的実施形態において、はんだマスク層128は、パッド印刷プロセスを使用して金属クラッド回路基板102へ塗布される。或いは、はんだマスク層128は、インクジェット印刷プロセスやはんだマスク層128を塗布するための他のプロセスのような他のプロセスを使用して塗布されてもよい。
図3は、図1乃至図2に示される金属クラッド回路基板102のような金属クラッド回路基板を製造する方法を示すフローチャートである。この方法は、金属基板を設ける工程150を含む。その金属基板は、アルミニウムパネルから所定のサイズへ切断されることができる。基板は、異なる方法及び/又は異なる材料から製造されてもよい。
その方法は、誘電体層をその金属基板へ塗布すること152を含む。誘電体層は、粉末混合物を金属基板の表面へ粉末コーティングすることによって金属基板へ塗布されることができる。粉末混合物は、金属基板へ圧縮成形されてもよい。例示的実施形態において、金属基板は、ベースを有するデバイス内に保持されることができ、そのベースと金属基板との間にはシリコン被覆マイラーシートがある。粘着性の無い粉末混合物が金属基板上に注がれ、他のシリコン被覆マイラーフィルムがその粉末混合物上に配されることができる。鋼板は高い力を使用してアセンブリへプレスされて誘電体層を金属基板へ塗布することができる。サンプルは、熱と圧力を使用して金属基板へホットプレスされ、誘電体層と金属基板を接合することができる。マイラーフィルムは、誘電体層が金属基板へ塗布された後、プレスされたサンプルから引き離される。
代替の実施形態において、誘電体層は、硬化され且つ金属基板へ塗布される懸濁液コーティングを形成することによって形成されることができる。例えば、マイラーフィルムは、ドクターブレードコーターのベッドへ配置されることができる。ポリマ、フィラー及び溶剤から製造されるエポキシの玉は、ブレードの前でマイラーフィルム上に広げられる。エポキシは、サンプルを生成するためにブレードによってフィルムを横切るように広げられる。そのサンプルは、オーブンの中で中間又は部分硬化段階まで硬化される。中間的に硬化されたサンプルは、あるサイズへ切断されて金属基板と接触状態に置かれることができる。サンプルは、熱と圧力を使用して金属基板へ熱プレスされて誘電体層と金属基板を接合する。サンプルを形成するために他のタイプのデバイスが使用されることができる。例えば、ドローダウンコーターやスロットダイコーターがサンプルを生成するために使用されることができる。コーター以外の他のタイプのデバイスがサンプルを生成するために使用されてもよい。
本方法は、導電性シード層を誘電体層へ印刷する工程154を含む。導電性シード層は、誘電体層へ印刷される導電性インクを含む。導電性インクは、一実施形態では、インクジェットプリンタを使用して印刷されることができる。他の実施形態では、導電性インクは、パッド印刷プロセスやスクリーン印刷プロセスを使用して誘電体層へ印刷されることができる。導電性シード層は、誘電体層上にベース導電性トレースを画定する。代替の実施形態では、導電性シード層は、印刷以外の他のプロセスによって誘電体層へ塗布されることができる。
例示的実施形態では、ベース導電性トレースの導電特性を向上するために、導電性回路層が導電性シード層上へめっきされる(156)。例示的実施形態では、導電性回路層は、電気めっきプロセスを使用して導電性シード層上へめっきされる。代替の実施形態では、他のめっきプロセスが使用されて導電性回路層を導電性シード層へ塗布することができる。その代替の実施形態では、導電性回路層は、導電性シード層を印刷することを使用することなく、誘電体層へ追加されてもよい。
電気めっきプロセス中、金属基板、誘電体層及び導電性シード層を有するサンプルは、導電性粒子を有する流体浴中に配される。導電性シード層は、電気的に帯電され、電流が導電性シード層へ流される。電気めっきプロセスは、金属粒子を導電性シード層上へ堆積する。例えば、銅及び/又は錫粒子は、導電性インクによって導電性シード層へ引き付けられる。銅及び/又は錫粒子は、導電性インクへ付着されて、従って、導電性シード層をめっきする。銅及び/又は錫粒子に加えて又はそれの代替として、他のタイプの粒子がめっきされてもよい。導電性回路層の銅粒子は、導電性トレースの電流搬送能力を増加する。錫粒子は、導電性トレースに対して環境保護とはんだ付け可能表面を提供する。
本方法は、はんだマスクを導電性トレース上に塗布する工程158を含む。はんだマスクは、腐食から導電性トレースを保護するように導電性トレースの幾つかの部分へ選択的に塗布されることができる。導電性トレースの部分は、はんだマスクによって露出されて電気部品の導電性トレースへのはんだ付けを可能とすることができる。例えば、LEDや他の電気部品は、導電性トレースへはんだ付けされることができる。はんだマスクは、パッド印刷プロセスを使用して塗布されることができる。はんだマスクは、インクジェット印刷プロセスのような代替のプロセスを使用して塗布されてもよい。
LEDや他の電気部品のような電気部品は、導電性回路層の導電性トレースへ取付けられる(160)。電気部品は、電気部品を導電性トレースへはんだ付けすることによって取付けられることができる。はんだマスクは、電気部品を導電性トレースへ取付けるための取付けパッドを露出する。
任意ではあるが、多数の金属クラッド回路基板は、パネルの部分として一回で製造されることができる。本方法は、個々の金属クラッド回路基板を互いから分離することを含むことができる。例えば、金属クラッド回路基板は、他の金属クラッド回路基板から送られる又は入手され且つそれから分離されてもよい。
図4は、誘電体層122が金属基板120へ塗布されることを示す。金属基板120と誘電体層122を収容するキャビティ172を有するベース170が提供される。キャビティ172は、金属基板120と誘電体層122の望ましい厚さと等しい深さを有する。
マイラーフィルム174は、キャビティ172内のベース170上へ配置される。金属基板120は、マイラーフィルム174上に配されることができる。フレーム176は、シム(楔)として作用して金属基板120と誘電体層122の厚さを制御する。フレーム176は、キャビティ172へ追加の厚さを追加する。
誘電体層122は、金属基板120上に配される。例示的実施形態では、誘電体層122は、金属基板120へ注がれるポリマーとフィラーの粉末混合物を含む。或いは、誘電体層122は、金属基板120上へ配されるフィルムやエポキシであってもよい。マイラーフィルム178は、誘電体層122上へ配される。
トッププレート180は、マイラーフィルム178上へ降下されて誘電体層122を金属基板120に対して押し付ける。例示的実施形態では、トッププレート180及び/又はベース170は、圧縮プロセス中に、加熱されて誘電体層122を金属基板120へ接合するのを助ける。トッププレート180は、下方へ押し付けられて、誘電体層122を金属基板120へ圧縮成形する。
図5は、導電性シード層124が金属クラッド回路基板102へ印刷されることを示す。導電性インク内へ浸漬されることができるパッド192を有するパッド印刷マシン190が提供される。導電性インクは、所定のパターンでパッド192上へ付着する。パッド192は、金属クラッド回路基板102の誘電体層122へ押圧され、次に、導電性インクが誘電体層122へ付着する。代替の実施形態では、パッド印刷マシンではなくて、インクジェットプリンタやスクリーンプリンタを使用して導電性インクが塗布されてもよい。
Claims (10)
- 金属クラッド回路基板(102)であって、
金属基板(120)と、
前記金属基板上に塗布された誘電体層(122)と、
前記誘電体層上に印刷された導電性シード層(124)と、
前記導電性シード層上にめっきされた導電性回路層(126)と
を備えることを特徴とする金属クラッド回路基板。 - 前記導電性シード層(124)が前記誘電体層(122)上のインクジェット印刷された導電性シード層であることを特徴とする請求項1に記載の金属クラッド回路基板。
- 前記前記導電性シード層(124)が前記誘電体層(122)上のパッド印刷された導電性シード層であることを特徴とする請求項1に記載の金属クラッド回路基板。
- 前記導電性回路層(126)が前記導電性シード層(124)上に電気めっきされた導電性回路層であることを特徴とする請求項1に記載の金属クラッド回路基板。
- 前記導電性シード層(124)と前記導電性回路層(126)がアディティブプロセスによって前記誘電体層(122)へ塗布されることを特徴とする請求項1に記載の金属クラッド回路基板。
- 前記前記導電性シード層(124)も前記導電性回路層(126)も銅板からエッチングされないことを特徴とする請求項1に記載の金属クラッド回路基板。
- 前記誘電体層(122)が前記金属基板(120)上の粉末コーティングされた誘電体層であることを特徴とする請求項1に記載の金属クラッド回路基板。
- 前記誘電体層(122)がポリマーとフィラーとで構成され、前記誘電体層が前記金属基板(120)上へ圧縮成形された誘電体層であることを特徴とする請求項1に記載の金属クラッド回路基板。
- 前記金属基板(120)が第1の表面(130)と第2の表面(132)を有するアルミニウム基板で構成され、前記第1の表面がヒートシンク(110)へ取付けられ、且つ前記誘電体層(122)が前記第2の表面へ塗布されることを特徴とする請求項1に記載の金属クラッド回路基板。
- 前記金属基板(120)が前記金属クラッド回路基板の全厚の少なくとも半分であることを特徴とする請求項1に記載の金属クラッド回路基板。
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