JP2017135209A - 多層基板及び電子回路基板 - Google Patents

多層基板及び電子回路基板 Download PDF

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Abstract

【課題】放熱性を向上させると共に、対象装置への取り付け時の作業性を向上させることができる多層基板及び電子回路基板を提供する。【解決手段】多層基板20は、絶縁部材からなるコア層51と、コア層の表面51a側に形成され、熱伝導性材料により形成される第一熱伝導層31と、第一熱伝導層に対して第一絶縁層21を介して配置されると共に、電子部品11〜17が接続される第一配線層23と、コア層の裏面51b側に形成され、熱伝導性及び導電性を有する材料から形成される第二配線層61と、コア層の裏面側の最外層として形成されると共に、第二配線層に対して第二絶縁層81を介して配置され、熱導電性材料により形成される第二熱伝導層71と、第一配線層と第二配線層とを熱的及び電気的に接続する第一接続部43と、第一熱伝導層と第二熱伝導層とを熱的に接続する第二接続部45と、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、多層基板及び電子回路基板に関する。
基板上にパワートランジスタや整流ダイオード等の発熱素子を含む電子部品が実装された電子回路基板がある。このような電子回路基板では、発熱素子に発生する熱の放熱性を高めることが行われている。特許文献1には、これらの発熱素子に、放熱フィン(ヒートシンク)を取り付けたり、電子回路基板を搭載する装置(以下、「対象装置」とも称する。)の筐体等に直接接触させたりすることにより放熱性を向上させることが記載されている。
特開2000−299564号公報
しかしながら、発熱素子に放熱フィンを取り付ける放熱方法では、電子回路基板全体のサイズが大きくなり、対象装置の筐体等に格納できなくなる場合がある。一方、対象装置の筐体等に発熱素子を直接接触させる放熱方法では、組付時において、筐体に電子回路基板を接触させるための調整に手間を要し、作業性に劣る。また、発熱素子における極性と筐体における極性との違い等によりモールド等の処理を施さなければならない場合もあり、この場合には放熱性に劣る。
そこで、本発明の目的は、放熱性を向上させると共に、対象装置への取り付け時の作業性を向上させることができる多層基板及び電子回路基板を提供することにある。
本発明の多層基板は、表面及び前記表面と反対側の裏面を有し、絶縁部材からなるコア層と、コア層の表面側に配置され、熱伝導性を有する材料により形成される第一熱伝導層と、第一熱伝導層に対して、熱伝導性及び絶縁性を有する材料からなる第一絶縁層を介して配置されると共に、熱伝導性及び導電性を有する材料により形成され、電子部品に接続される第一配線層と、コア層の裏面側に配置され、熱伝導性及び導電性を有する材料から形成される第二配線層と、コア層の裏面側の最外層として形成されると共に、第二配線層に対して、熱伝導性及び絶縁性を有する材料からなる第二絶縁層を介して配置され、熱導電性を有する材料により形成される第二熱伝導層と、第一絶縁層、第一熱伝導層、及びコア層を貫通すると共に、第一配線層と第二配線層とを熱的及び電気的に接続する第一接続部と、コア層、第二配線層、及び第二絶縁層を貫通すると共に、第一熱伝導層と第二熱伝導層とを熱的に接続する第二接続部と、を備える。
本発明の電子回路基板は、上記の多層基板と、多層基板における第一配線層に電気的に接続された状態で配置される電子部品と、を備える。
この構成の多層基板及び電子回路基板によれば、電子部品の発熱素子において発生した熱は、第一配線層及び第一接続部を介して第二配線層に伝熱されると同時に、第一絶縁層を介して第一熱伝導層に伝熱される。すなわち、第一接続部に加えてもう一つの伝熱経路が形成されるので、放熱性を向上させることができる。更に詳細には、第一絶縁層を介して第一熱伝導層に伝熱された熱は、基板全体に拡散され放熱されると共に、第二接続部を介してコア層の裏面側の最外層に形成された第二熱伝導層に伝熱される。また、第一接続部を介して第二配線層に伝熱された熱は、第二絶縁層を介して第二熱伝導層に伝熱される。そして、第二熱伝導層は、電子部品が配置されている側とは反対側の最外層として形成されているので、筐体等に直接接触させることが容易である。すなわち、この多層基板では、放熱性を向上させるための対象装置への取り付けが容易となる。このような結果、放熱性を向上させると共に、対象装置への取り付け時の作業性を向上させることができる。
本発明の多層基板では、第二熱伝導層には、対象装置が有する筐体に伝熱可能に固定するための固定部が設けられていてもよい。
この構成の多層基板では、対象装置の筐体に取り付けることがより一層容易に可能になるので作業性が向上する。
本発明の多層基板では、コア層の表面及び裏面に直交する方向から見た平面視において、第一熱伝導層は、電子部品と重なるように配置されていてもよい。
この構成の多層基板では、電子部品において発生した熱が第一熱伝導層に効果的に伝導されるようになるので、放熱性能をより一層向上させることができる。
本発明の多層基板では、コア層の表面及び裏面に直交する方向から見た平面視において、第一熱伝導層は、電子部品のうち発信素子及び/又はマイコンとは重ならないように配置されていてもよい。
電子部品の中には、熱による影響を受けやすいものがある。このような電子部品に対しては、できるだけ熱を伝えないようしたいという要望がある。この構成の多層基板では、第一熱伝導層から第一絶縁層を介して伝熱されることを抑制できるので、電子部品が熱により与えられる影響を抑制することができる。
放熱性を向上させると共に、対象装置への取り付け時の作業性を向上させることができる。
一実施形態の多層基板を表面側から見た平面図である。 一実施形態の多層基板の断面図である。 図2の多層基板における第一熱伝導層を表面側から見た平面図である。 図2の多層基板における第二配線層を裏面側から見た平面図である。 図2の多層基板における第二熱伝導層を裏面側から見た平面図である。 一実施形態の電子回路基板と筐体との取付構造を示した断面図である。
以下、図面を参照して一実施形態に係る多層基板20を含む電子回路基板1について説明する。図面の説明において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。図1及び図3〜図5においては、第一接続部43及び第二接続部45は、II−II断面により図示される(図2)MOSFET11周辺を除き、図示を省略している。
本実施形態の電子回路基板1は、例えば、エアポンプ(対象装置)の各種制御処理を実行するポンプ駆動用ドライバであり、エアポンプの筐体91(図6参照)に取り付けられる。図1及び図2に示されるように、電子回路基板1は、表面20a及び裏面20bを有する多層基板20と、多層基板20の表面20a上に搭載された電子部品群10と、を備えている。
電子部品群10は、主に、四つのMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)11,12,13,14と、DC24Vダイオード15と、ドライバ16と、マイコン及び発信素子(水晶)17と、を有している。MOSFET11,12,13,14及びダイオード15は、通電により発熱する発熱素子を有している。
図2に示されるように、多層基板20は、コア層51と、第一熱伝導層31と、第一配線層23と、第二配線層61と、第二熱伝導層71と、を備える積層基板である。コア層51は、絶縁性を有する樹脂により形成されている。
第一熱伝導層31は、コア層51の表面51aに形成され、熱伝導性を有する材料(例えば、銅箔)により形成されている。図3に示されるように、本実施形態の第一熱伝導層31は、コア層51の表面51a及び裏面51bに直交する方向から見た平面視(以下、単に「平面視」と称する。)において、マイコン及び発信素子17と重なる部分31A(以下、「開口部31A」とも称する。)を除き、コア層51の表面51a全面に配置されている。平面視において開口部31Aのサイズは、マイコン及び発信素子17のサイズと同一又はマイコン及び発信素子17のサイズよりも一回り大きくなるように形成されている。
図1及び図2に示されるように、第一絶縁層21は、コア層51の表面51a側に配置され、第一熱伝導層31を覆うように形成されている。本実施形態では、平面視において、第一絶縁層21は、コア層51の表面51a全面に形成されている。第一絶縁層21は、熱伝導性及び絶縁性を有する材料からなる。熱伝導性及び絶縁性を有する材料の例は、エポキシ樹脂等のプリプレグ樹脂である。プリプレグ樹脂には、アルミナやシリカ等の電気絶縁性かつ放熱性に優れたフィラーが含有されてもよい。本実施形態においては、電子部品11〜17が配置される第一配線層23と第一熱伝導層31との間の熱伝導性を高めるためのフィラーが含有されていることが好ましい。
第一配線層23は、第一熱伝導層31に対して、上記第一絶縁層21を介して配置されると共に、電子部品群10が接続される導体パターンが形成される。なお、図1においては、詳細な導体パターンについては、図示を省略している。第一配線層23は、熱伝導性及び導電性を有する材料(例えば、銅又はアルミニウム)からなり、その表面は、レジストが塗布されている。第一配線層23には、前述したレジストが塗布されておらず、電子部品11〜17のそれぞれが搭載されるランドと、電子部品のリードが挿入されるパッド等と、が含まれる。電子部品11〜17のそれぞれと第一配線層23とは電気的に接続される。例えば、電子部品11〜17は、前述したレジストが塗布されていない第一配線層23におけるパッド部分に、直接ハンダ付けがなされることにより、第一配線層23に対して電気的に接続される。
図4に示されるように、第二配線層61は、コア層51の裏面51bに形成され、第一配線層23に接続される電子部品群10の配置に応じて導体パターンが形成されている。第二配線層61は、熱伝導性及び導電性を有する材料(例えば、銅又はアルミニウム)により形成されている。なお、図4では、各電子部品を接続する経路については、図示を省略している。
図2に示されるように、第二絶縁層81は、コア層51の裏面51b側に配置されており、第二配線層61を覆うように形成されている。本実施形態では、平面視において、第二絶縁層81は、コア層51の裏面51b全面に形成されている。第二絶縁層81は、熱伝導性及び絶縁性を有する材料からなる。熱伝導性及び絶縁性を有する材料の例は、エポキシ樹脂等のプリプレグ樹脂である。プリプレグ樹脂には、アルミナ又はシリカ等の電気絶縁性かつ放熱性に優れたフィラーが含有されてもよい。本実施形態においては、第二配線層61と第二熱伝導層71との間の熱伝導性を高めるためのフィラーが含有されていることが好ましい。
図2及び図5に示されるように、第二熱伝導層71は、コア層51の裏面51b側の最外層として形成される。また、第二熱伝導層71は、各電子部品の端子を半田により固定するための面でもある。本実施形態では、第二熱伝導層71は、平面視において、コア層51の裏面51b全面に配置されている。第二熱伝導層71は、第二配線層61に対して、第二絶縁層81を介して配置され、熱導電性を有する材料(例えば、銅又はアルミニウム)により形成されている。当該第二絶縁層81は、銅めっき処理がなされていてもよい。第二熱伝導層71は、レジストが塗布される吸収層71Aとレジストが塗布されていない熱パッド71Bとを有している。なお、レジストが塗布されていない熱パッド71Bは、熱導電性を有する銅箔等の第二熱伝導層71は、金メッキ処理又はハンダペーストが塗布されていてもよい。これにより、第二熱伝導層71の酸化を防止できる。
熱パッド71Bは、レジストが塗布されていない分、吸収層71Aよりも放熱効果が高い。このため、熱パッド71Bは、平面視において、放熱性を高めたい位置、すなわち、より高い熱量を発生する発熱素子が配置された位置と重なる位置に配置されることが好ましい。本実施形態では、平面視においてMOSFET11,12,13,14と重なる位置に配置されている。熱パッド71Bは、平面視におけるMOSFET11,12,13,14及びダイオード15の面積以上あることが好ましい。
第一接続部43は、第一絶縁層21、第一熱伝導層31、及びコア層51を貫通すると共に、第一配線層23と第二配線層61とを熱的及び電気的に接続する。第一接続部43は、第一絶縁層21、第一熱伝導層31、及びコア層51を厚さ方向に貫通する貫通孔43aの壁面に銅等の貫通電極43bが形成されている。
第二接続部45は、コア層51、第二配線層61、及び第二絶縁層81を貫通すると共に、第一熱伝導層31と第二熱伝導層71とを熱的に接続する。第二接続部45は、コア層51、第二配線層61、及び第二絶縁層81を厚さ方向に貫通する貫通孔45aの壁面に銅等の貫通電極45bが形成されている。
図6に示されるように、第二熱伝導層71における熱パッド71Bには、エアポンプの筐体91に固定するための固定部77が形成されている。具体的には、固定部77は、第二熱伝導層71、第二絶縁層81、及び第二配線層61を貫通する貫通孔77aと、コア層51に形成され、周面にネジ溝が形成されたネジ孔77bと、を有している。
筐体91は、アルミダイキャストである。筐体91は、電子回路基板1を固定する位置として、ポンプ及び電子回路基板1が格納される領域側に凸となる被固定部93が形成されている。被固定部93には、固定用のネジ97を挿通する挿通孔93aが形成されている。電子回路基板1は、ネジ97によって筐体91に取り付けられる。詳細には、筐体91の外側から挿通孔93aに挿通されるネジ97が、固定部77にねじ込まれることにより、熱パッド71Bが筐体91に接触するような状態で固定される。
次に、電子部品の電力供給方法及び熱交換の方法について詳細に説明する。放熱電極がVDDの場合、ダイオード15からの出力(放電電極)は、図1及び図4に示されるように、ダイオード15直下の第一配線層23であるランド23Aから第一接続部43を介して第二配線層61のダイオードエリア61EへDC24Vが出力される。また、ダイオード15において発生する熱は、電力の出力と同様に、ダイオード15直下の第一配線層23であるランド23Aから第一接続部43における熱伝導を利用して第二配線層61のダイオードエリア61Eへ放熱される。
一方、ダイオード15と同じ、放電電極がVDDのMOSFET11(MOSFET12)は、第二配線層61のMOSFETエリア61A(MOSFETエリア61B)から第一接続部43及び第一配線層23のMOSFET11(MOSFET11)直下のランド23A(ランド23B)を経由して電力の供給を受ける。また、MOSFET11(MOSFET12)において発生する熱は、第一配線層23におけるMOSFET11(MOSFET12)直下のランド23A(ランド23B)から第一接続部43における熱伝導を利用して第二配線層61のMOSFETエリア61A(MOSFETエリア61B)へ放熱される。
また、放熱電極がポンプの駆動出力電圧のMOSFET13及びMOSFET14の場合、MOSFET13及びMOSFET14のそれぞれにおいて発生した熱を放熱する第二配線層61のエリアとして、MOSFETエリア61C及びMOSFETエリア61Dがそれぞれ設けられている。MOSFET13(MOSFET14)において発生した熱は、第一配線層23におけるMOSFET13(MOSFET14)直下のランド23C(ランド23D)から第一接続部43における熱伝導を利用して第二配線層61のMOSFETエリア61C(MOSFETエリア61D)へ放熱している。
上記に説明したとおり、第二配線層61には、VDD系統及び駆動出力系統の2種類の熱が伝熱されることになる。本実施形態では、第二配線層61に対してプリプレグ材により形成された第二絶縁層81を介して第二熱伝導層71が配置されている。第二配線層61に伝熱された熱は、当該第二絶縁層81によって絶縁状態が維持されつつ、第二熱伝導層71へ伝熱される。
本実施形態では、第一配線層23に対してプリプレグ材により形成された第一絶縁層21を介して第一熱伝導層31が配置されている。第一配線層23に伝熱された熱は、当該第一絶縁層21によって絶縁状態が維持されつつ、第一熱伝導層31へ伝熱される。第一熱伝導層31である銅箔は、熱の影響を受けやすいマイコン及び発信素子17の直下を除いて、熱が多層基板20全体に拡散するように多層基板20全面に配置されている。また、互いに絶縁されている第一熱伝導層31と第二熱伝導層71とは、第二接続部45によって接続されている。第一熱伝導層31が吸収した熱は、第二接続部45の熱伝導を利用して第二熱伝導層71へ放熱される。すなわち、第一配線層23から熱交換によって吸収された第一熱伝導層31の熱は、多層基板20全体へ拡散されると共に、第二接続部45によって第二熱伝導層71へ放熱される。なお、互いに絶縁されている第一熱伝導層31と第二熱伝導層71とは、ポンプの筐体91と接続されて同電位となる(ポンプGND)。
第二熱伝導層71は、ほぼ全面が上記ポンプGND電位の銅箔が配置されている。これにより、多層基板20の裏面20bのどの部分からでも熱伝導性の良い物質と密着させれば放熱が可能となる。本実施形態では、特にMOSFET11〜14の直下に熱パッド(銅又は金メッキ)が配置されているので、熱源となる発熱素子から最短でポンプの筐体91へ放熱できる放熱ルートが形成される。また、固定部77(基板固定穴)が熱パッド71B内又はその周辺に設けられ、図6に示されるポンプの筐体91にネジねじ止めされている。これにより、熱パッド71Bと筐体91との密着性を高めて放熱性を上げるとともに、ポンプ装置への電子回路基板1の取り付けを容易に完了することができる。
上記実施形態の電子回路基板1によれば、MOSFET11〜14及びダイオード15の発熱素子において発生した熱は、第一配線層23及び第一接続部43を介して第二配線層61に伝熱されると同時に、第一絶縁層21を介して第一熱伝導層31に伝熱される。すなわち、第一接続部43に加えてもう一つの伝熱経路が形成されるので、放熱性を向上させることができる。また、第一絶縁層21を介して第一熱伝導層31に伝熱された熱は、多層基板20全体に拡散され放熱されると共に、第二接続部45を介してコア層51の裏面51b側の最外層に形成された第二熱伝導層71に伝熱される。また、第一接続部43を介して第二配線層61に伝熱された熱は、第二絶縁層81を介して第二熱伝導層71に伝熱される。すなわち、発熱素子において発生した熱は、第一熱伝導層31と第二配線層61とにそれぞれ分岐されて伝熱されたとしても、その一部の熱は第二熱伝導層71に集約される。そして、第二熱伝導層71は、電子部品群10が配置されている側とは反対側の最外層として形成されているので筐体91等に直接取り付けることが容易である。すなわち、この電子回路基板1では、ポンプへの取り付け時の作業性を向上させることができる。このような結果、放熱性を向上させると共に、ポンプへの取り付け時の作業性を向上させることができる。
上記実施形態の電子回路基板1によれば、第二熱伝導層71の熱パッド71Bには、ポンプが有する筐体91に伝熱可能に固定するための固定部77が設けられているので、ポンプ装置の筐体91に取り付けることがより一層容易に可能になる。
上記実施形態の電子回路基板1によれば、第一熱伝導層31は、平面視において、電子部品群10(MOSFET11〜14、ダイオード15、及びドライバ16)と重なるように配置されている。これにより、電子部品群10のそれぞれにおいて発生した熱が第一熱伝導層31に効果的に伝導されるようになるので、放熱性能をより一層向上させることができる。
上記実施形態の電子回路基板1によれば、第一熱伝導層31は、平面視において、マイコン及び発信素子17とは重ならないように配置されている。これにより、第一熱伝導層31から第一絶縁層21を介して伝熱されることを抑制できるので、マイコン及び発信素子17が熱により与えられる影響を抑制することができる。
以上、一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
上記実施形態では、コア層51の表面51aの直上に第一熱伝導層31が配置される例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、コア層51の表面51aの直上には、電子部品群10に電力を供給する導体パターンが形成された配線層が形成されていてもよい。この場合には、当該配線層に対して絶縁層を介して第一熱伝導層が配置されてもよい。なお、このような配線層は、一層だけでなく複数層形成されてもよい。また、上記のように配線層が複数形成される場合には、第一熱伝導層は、これらの配線層に絶縁状態が維持された状態で挟み込まれるように配置されてもよい。
上記実施形態では、第一熱伝導層31は、1層のみ配置される例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、連続する複数の層として形成されてもよい。
上記実施形態では、コア層51の裏面51bの直上に第二配線層61が配置される例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、コア層51の裏面51bの直上には、第一熱伝導層31から接続部を介して伝熱可能な熱伝導層が設けられてもよい。この場合には、当該熱伝導層に対して絶縁層を介して第二配線層61が配置されてもよい。
上記実施形態では、第一接続部43は、第一絶縁層21、第一熱伝導層31、及びコア層51を厚さ方向に貫通する貫通孔43aの壁面に銅等の貫通電極43bが形成されている例を挙げて説明したが、貫通孔43aの内部には、充填材が充填されてもよい。なお、充填材の例は、樹脂、セラミック、又は金属等であり、例えば、エポキシ樹脂である。同様に、第二接続部45は、コア層51、第二配線層61、及び第二絶縁層81を厚さ方向に貫通する貫通孔45aの壁面に銅等の貫通電極45bが形成されている例を挙げて説明したが、貫通孔45aの内部には、充填材が充填されてもよい。なお、充填材の例は、樹脂、セラミック、又は金属等であり、例えば、エポキシ樹脂である。
上記実施形態では、第二熱伝導層71として、互いに熱伝導率が異なる吸収層71Aと熱パッド71Bとを配置する例を挙げて説明したが、どちらか一方が多層基板20の裏面20b全体に配置されていてもよい。
上記実施形態では、発熱素子を有する電子部品の例として、MOSFET、ダイオード等を例に挙げて説明したが、MOSFET以外のパワー素子、LED(Light Emitting Diode)、通電により発熱するアンプ等が配置されてもよい。
以上説明した種々の実施形態及び変形例は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々、組み合わせられてもよい。
1…電子回路基板、10…電子部品群、11〜14…MOSFET(電子部品)、15…ダイオード(電子部品)、16…ドライバ(電子部品)、17…マイコン及び発信素子(電子部品)、20…多層基板、21…第一絶縁層、23…第一配線層、31…第一熱伝導層、43…第一接続部、45…第二接続部、51…コア層、51a…表面、51b…裏面、61…第二配線層、71…第二熱伝導層、71A…吸収層、71B…熱パッド、77…固定部、81…第二絶縁層、91…筐体。

Claims (5)

  1. 表面及び前記表面と反対側の裏面を有し、絶縁部材からなるコア層と、
    前記コア層の前記表面側に配置され、熱伝導性を有する材料により形成される第一熱伝導層と、
    前記第一熱伝導層に対して、熱伝導性及び絶縁性を有する材料からなる第一絶縁層を介して配置されると共に、熱伝導性及び導電性を有する材料により形成され、電子部品に接続される第一配線層と、
    前記コア層の前記裏面側に配置され、熱伝導性及び導電性を有する材料から形成される第二配線層と、
    前記コア層の前記裏面側の最外層として形成されると共に、前記第二配線層に対して、熱伝導性及び絶縁性を有する材料からなる第二絶縁層を介して配置され、熱導電性を有する材料により形成される第二熱伝導層と、
    前記第一絶縁層、第一熱伝導層、及び前記コア層を貫通すると共に、前記第一配線層と前記第二配線層とを熱的及び電気的に接続する第一接続部と、
    前記コア層、前記第二配線層、及び第二絶縁層を貫通すると共に、前記第一熱伝導層と前記第二熱伝導層とを熱的に接続する第二接続部と、
    を備える、多層基板。
  2. 前記第二熱伝導層には、対象装置が有する筐体に伝熱可能に固定するための固定部が設けられている、請求項1記載の多層基板。
  3. 前記コア層の前記表面及び前記裏面に直交する方向から見た平面視において、前記第一熱伝導層は、前記電子部品と重なるように配置されている、請求項1又は2記載の多層基板。
  4. 前記コア層の前記表面及び前記裏面に直交する方向から見た平面視において、前記第一熱伝導層は、前記電子部品のうち発信素子及び/又はマイコンとは重ならないように配置されている、請求項1〜3の何れか一項記載の多層基板。
  5. 請求項1〜4の何れか一項記載の多層基板と、
    前記多層基板における前記第一配線層に電気的に接続された状態で配置される電子部品と、
    を備える、電子回路基板。
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