JP2017139462A - 水冷式回路基板及び水冷式回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量産性がよく低コストであり、また冷却水漏れの問題がない水冷式回路基板及び水冷式回路板の製造方法を提供する。
【解決手段】水冷式回路基板１は、金属ブロック１０と、金属ブロック１０表面の絶縁層２０と、絶縁層２０上に形成されＬＥＤ光源を実装するための導体パターン３０と、からなり、鋳造により作られた金属ブロック１０が、内部に冷却水が通過する貫通路１１を有する構成となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水冷式の放熱対策が施された水冷式回路基板及び水冷式回路基板の製造方法に関する。

半導体の露光装置におけるレジストの露光や、大型の産業用印刷機のインクの硬化に、波長２００〜４００ｎｍ（ＵＶ域）のＬＥＤ光源が用いられている。

このＵＶ域のＬＥＤ光源は、例えば照明装置等に用いられている一般的な白色ＬＥＤ光源に比べると、まだまだ光への変換効率が悪いことが知られている。具体的には、例えばＵＶ−Ａと言われるような３６５ｎｍのＬＥＤ光源であれば変換効率が２０％程度まで改善されてきているが、ＵＶ−Ｃと言われるような２５０ｎｍのＬＥＤ光源であれば変換効率が５％程度であり、投入された電力のほとんどが熱として失われてしまう。

したがって、ＵＶ域のＬＥＤ光源を実装する回路基板においては、放熱対策が非常に重要となってくる。この放熱対策が施された回路基板として、特許文献１に記載されているような水冷式回路基板が知られている。

特許文献１に記載されている光源基板は、ＬＥＤ光源がマウントされる導体層と、導体層を絶縁する絶縁層を介して冷却ジャケットと、が一体化されたものである。そして、この冷却ジャケットは、複数枚の金属薄板をホットプレス法やロウ材により接合したものである。

より具体的には冷却ジャケットは、二枚の銅薄板を接合材を介してホットプレスによって接合したものである。そして、この冷却ジャケットは、銅薄板の接合面にはハーフエッチングによる加工によって溝がそれぞれ形成されており、接合面を接合することにより冷却ジャケット内に冷却水を通過させる貫通路が形成された構成となっている。

特開２００８−３００１５８号公報

特許文献１に記載されているような水冷式回路基板は、複数の金属板を重ねて接合する必要があるために、接合手段として拡散接合やロウ付けによらなければならないが、このような接合手段は一般的に接合するまでに時間がかかることから、量産性が悪く、コストが増加してしまうという問題がある。また、貫通路となる溝の形成工程や、溝の位置合わせの精度も要求されることからも、量産性の悪化、コストの増加にもつながってしまう。

また、特許文献１の水冷式回路基板は、金属板を重ねて接合してあるため、接合部の接合強度が不十分であったり、接合面での劣化が生じたりすることで、冷却水漏れのおそれがある。

そして、特許文献１のような水冷式回路基板に限らず、ＵＶ域のＬＥＤ光源が実装されたものは、上記のように熱による影響が大きく、水冷を含めた放熱対策が非常に重要となる。

そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、ＵＶ域のＬＥＤ光源を実装する水冷式回路基板において、優れた放熱対策が施された水冷式回路基板及び水冷式回路基板の製造方法を提供することを目的とする。また、量産性がよく低コストであり、また冷却水漏れの問題がないＵＶ域のＬＥＤ光源を実装する水冷式回路基板及び水冷式回路板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の水冷式回路基板は、冷却水が通過する貫通路を有する金属基板と、前記金属基板表面の絶縁層と、前記絶縁層上に形成されたＵＶ域のＬＥＤ光源を実装するための導電パターンと、前記金属基板と前記絶縁層とを接着する接着剤と、からなる水冷式回路基板であって、前記接着剤は、（Ａ）エポキシ系樹脂と（Ｂ）無機系充填剤と（Ｃ）シロキサン結合の有機溶剤が混合されたものであることを特徴とする。

また、前記接着剤は、（Ａ）＋（Ｂ）＋（Ｃ）が１００重量％において、（Ａ）が３０〜６０重量％、（Ｂ）が１〜５重量％、（Ｃ）が残り、の比率で配合されていることを特徴とする。
本発明の水冷式回路基板によると、ＵＶ域のＬＥＤ光源から発生した熱による放熱対策が十分な水冷式回路基板を提供することができる。

また、本発明の水冷式回路基板は、前記金属基板が、金属ブロックからなることを特徴とする。
本発明の水冷式回路基板によると、導電パターンに実装されたＬＥＤ光源からの発熱が金属ブロックへ伝わり、貫通路の冷却水を介して放熱されることになる。また、従来のような複数の金属板を接合して貫通路を形成する構成ではないため、本発明の水冷式回路基板は、量産性がよく低コストなものとなる。また、従来の拡散接合やロウ付けによる接合は、複数の金属板を接合することになるので、接合条件が難しく、条件によっては十分な接合が実現できないおそれがあるが、本発明の水冷式回路基板はそのようなおそれもないため、接合部での劣化や冷却水漏れのおそれもない。

また、本発明の水冷式回路基板は、前記貫通路が、前記金属ブロックとは異なる金属パイプからなることを特徴する。
また、本発明の水冷式回路基板は、前記貫通路を通過する冷却水の注入口と排出口が、前記金属ブロックの裏面に形成されていることを特徴とする。
本発明の水冷式回路基板によると、複数の水冷式回路基板を並べて用いる場合に、水冷式回路基板同士を隣接して設置することができるため、大型の線状光源を容易に実現することができる。

また、本発明の水冷式回路基板の製造方法は、冷却水が通過する貫通路を有する金属基板と、ＵＶ域のＬＥＤ光源を実装するための導電パターンが形成された絶縁層と、を接着剤により接着してなる水冷式回路基板の製造方法であって、前記接着剤が、（Ａ）エポキシ系樹脂と（Ｂ）無機系充填剤と（Ｃ）シロキサン結合の有機溶剤が混合されたものであり、前記金属基板と前記絶縁層との間に前記接着剤を５０±２０μｍの厚みで塗布する工程と、温度条件１００〜２００℃、圧力条件１〜５Ｍｐａ、時間条件０．５〜３ｈにて、前記接着剤を硬化させて前記金属基板と前記絶縁層とを一体化する工程と、
を有することを特徴とする。
また、前記金属基板は、冷却水が通過するための貫通路を内部に備えた鋳物の金属ブロックからなることを特徴とする。

本発明の水冷式回路基板によれば、放熱性が良好で、量産性がよく低コストな水冷式回路基板を製造することができる。
また、本発明の水冷式回路基板の製造方法は、前記貫通路は、金属パイプの鋳ぐるみにより形成されていることを特徴とする。

図１は、本実施形態の水冷式回路基板の断面図である。 図２（Ａ）は、本実施形態の水冷式回路基板を構成する金属ブロックの平面図であり、図２（Ｂ）は、金属ブロックの裏面図である。 図３は、本実施形態における金属パイプの平面図である。 図４（Ａ）は本実施形態の具体的実施例の水冷式回路基板の分解図であり、図４（Ｂ）は水冷式回路基板の完成図である。 接着剤Ａを用いて金属板と絶縁層とを接着した時の側面図である。 本実施形態の水冷式回路基板の使用形態を示した図である。 他の実施形態の水冷式回路基板の断面図である。

以下、実施形態及び図面を参照にして本発明を実施するための形態を説明するが、以下に示す実施形態は、本発明をここに記載したものに限定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。なお、この明細書における説明のために用いられた各図面においては、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて表示しており、必ずしも実際の寸法に比例して表示されているものではない。
［実施形態１］

本発明の実施形態１の水冷式回路基板１について図を用いて説明する。図１は、本実施形態の水冷式回路基板１の断面図である。また、図２（Ａ）は、水冷式回路基板１を構成する金属ブロックの平面図であり、図２（Ｂ）は、金属ブロックの裏面図である。

水冷式回路基板１は、金属ブロック１０と、金属ブロック１０の上部表面に形成された絶縁層２０と、絶縁層２０の上に形成された導体パターン３０と、で構成されており、金属ブロック１０の内部に冷却水が通過する貫通路１１を有している。

まず、金属ブロック１０は、鋳造により作られた鋳物製である。また、金属ブロック１０は、鋳物の材料として熱伝導性のよい材料を用いて製造されたものである。本実施形態においては、アルミニウム合金を用いたがステンレスや銅合金等、他の材料を用いることもできる。

また、金属ブロック１０の内部には、図２（Ｂ）の点線で示す貫通路１１が形成されている。この貫通路１１は、金属ブロック１０全体を冷却水によって冷却できるよう、金属ブロック１０内部全体を蛇行するように設けられている。また、図２（Ｂ）に示すように、貫通路１１に冷却水を流すための注入口１２と排出口１３とが、金属ブロック１０の裏面に設けられている。

この貫通路１１は、鋳物の中に中空部を設けるために用いる中子と呼ばれる鋳型を用いて形成することもできるが、本実施形態においては、金属ブロック１０とは別に金属パイプ１１Ａを用いて、鋳ぐるみにより形成している。図３は、金属パイプ１１Ａの平面図である。金属パイプ１１Ａは、熱伝導性のよい材料を用いて製造された中空状のものである。本実施形態においては、銅合金を用いたが他の材料を用いることもでき、金属ブロック１０と同材料の金属からなる金属パイプ１１Ａを用いることもできる。なお、注入口１２と排出口１３は、鋳造により金属ブロック１０を形成した後で金属パイプ１１Ａに達する孔をあけて形成しており、実際には金属パイプ１１Ａの孔の直径よりも大きな直径となっている。

このように、鋳造により作られた金属ブロック１０が、内部に冷却水が通過する貫通路１１を有する構成となっている。したがって、従来のような複数の金属板を接合して貫通路を形成する構成ではないため、金属ブロック１０は、金属板の接合部がないため、接合部における冷却水漏れのおそれがない。

次に、絶縁層２０は、金属ブロック１０と導電パターン３０とを絶縁するものである。絶縁層２０としては、ガラス布等の基材にエポキシ樹脂、イミド樹脂、フッ素樹脂などの絶縁材料を含浸したもの等を用いることができる。

導電パターン３０は、銅箔等の導電材料で形成された配線パターンであり、絶縁層２０上に形成されたものである。この導電パターン３０に、図示しないＬＥＤ光源となるＬＥＤチップが実装される。

本実施形態において、ＬＥＤ光源の種類は特に限定されるものではないが、上述したように、ＵＶ域のＬＥＤ光源はまだまだ光への変換効率が悪く、投入した電力のほとんどが熱として失われてしまう。したがって、放熱対策が非常に重要となるＵＶ域のＬＥＤ光源において、本実施形態の水冷式回路基板１を用いることが非常に効果的である。

なお、水冷式回路基板１は、導電パターン３０が形成された絶縁層２０を用い、この絶縁層２０を金属ブロック１０の表面に一体化したものとなっている。そして、導電パターン３０が形成された絶縁層２０と金属ブロック１０との一体化は、ネジ止めにより行っても構わないが、金属ブロック１０と絶縁層２０との間に気相ギャップが生じてしまうため、熱の伝導性が悪くなる。そのため、本実施形態において、導電パターン３０が形成された絶縁層２０と金属ブロック１０との一体化は、図示しない絶縁性接着シートを介して真空プレスによって行っている。

この点について、本実施形態の具体的実施例にて詳細に説明する。図４（Ａ）は実施例１の水冷式回路基板１Ａの分解図であり、図４（Ｂ）は水冷式回路基板１Ａの完成図である。なお、実施形態１と同様の構成については、同じ符号を用いてその説明を適宜省略する。

水冷式回路基板１Ａは、冷却水が通過する貫通路を有するアルミニウム合金製の金属ブロック１０と、ＵＶ域のＬＥＤ光源を実装するための導電パターン３０が形成されたガラスエポキシ材からなる絶縁層２０と、を接着剤４０により接着したものである。

上述のようにＵＶ域のＬＥＤ光源を水冷式回路基板１Ａに実装した場合に、投入した電力のほとんどが熱として失われてしまう。そのため、放熱対策が非常に重要となることから、金属パイプ１１Ａの鋳ぐるみにより形成した貫通路１１を備える金属ブロック１０を用いるとともに、接着剤４０を用いて、金属ブロック１０と絶縁層２０の接着を行っている。この接着剤４０は、（Ａ）エポキシ系樹脂と、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、シリカ、クレー、タルクなどの（Ｂ）無機系充填剤と、（Ｃ）シロキサン結合の有機溶剤とが混合されたものである。

ここで、接着剤４０と異なる接着剤Ａを用いて金属ブロック１０と絶縁層２０との接着を行ったところ、十分な接着強度を得ることができず、ＵＶ域のＬＥＤ光源から発生した熱により金属ブロック１０と絶縁層２０との剥離が生じてしまった。このような剥離が生じると、ＵＶ系のＬＥＤ光源を実装した水冷式回路基板１Ａを実際に使用したときに、ＬＥＤ光源から発生した熱が、金属ブロック１０側へ十分に伝わらなくなり、著しく機能の低下が生じてしまった。

また、金属ブロック１０のような内部に貫通路１１が形成された金属基板とは異なるが、大きな金属板Ｍを用い、この金属板Ｍと絶縁層２０とを接着した後、プレス加工によって所定の大きさに切断して製造される回路基板もある。このように、金属板Ｍと絶縁層２０とを接着剤Ａを用いて接着した後でプレス加工を行うと、分断端部において図５においてＦで示すようなクラック、ヒビによる剥離が多発した。このようなプレス加工により生じたクラックやヒビ、また上記のように光源から発生した熱による剥離が生じると、ＵＶ系のＬＥＤ光源を実装した回路基板を実際に使用したときに、ＬＥＤ光源から発生した熱が、金属板Ｍ側へ十分に伝わらなくなり著しく機能の低下が生じてしまうことになる。

そこで、放熱対策においては接着剤も非常に重要であり、接着剤について様々な材料を用い、様々な配合を行って検証したところ、接着剤４０を用いて金属ブロック１０と絶縁層２０との接着を行うと、剥離の発生を防ぐことができた。

接着剤４０は、より具体的には（Ａ）＋（Ｂ）＋（Ｃ）が１００重量％において、（Ａ）のエポキシ樹脂が３０〜６０重量％、（Ｂ）の無機系充填剤が１〜５重量％、そして、（Ｃ）のシロキサン結合の有機溶剤が残りとなるよう配合されている。

このような配合比率は、非常に重要であり、他の配合比率にて接着したところ接着剤での剥離が生じたが、本配合比率にて接着したところ剥離の発生を抑えることができた。また、（Ａ）のエポキシ樹脂の配合は、接着不足による剥離の発生を防ぐ上で、より好ましくは３５〜５５重量％であり、更に好ましいのは４０〜５０重量%となる。
次に、金属ブロック１０と絶縁層２０とを接着剤４０を用いて接着する工程について、詳細に説明する。

まず、金属ブロック１０と絶縁層２０との間に接着剤４０の厚みを５０±２０μｍ、より好ましくは５０±１０μｍとして、接着剤４０を塗布する。なお、接着剤４０は金属ブロック１０側、絶縁層２０側のどちらでも構わないが、本実施形態においては塗布のしやすさという点で、絶縁層２０側に塗布している。また、接着剤４０の厚みがこの範囲よりも薄くなると十分な接着強度を得ることができなくなってしまい、また厚くなると接着剤４０の厚みにより熱が伝わり難くなってしまう。

次に、真空プレスの装置内で、金属ブロック１０と絶縁層２０との接着を行い、一体化する。この時の条件として、装置内の温度条件は１００〜２００℃であり、好ましくは１２０〜１８０℃、より好ましくは１３０〜１７０℃である。また、圧力条件は、１〜５Ｍｐａであり、好ましくは１．５〜４．５Ｍｐａ、より好ましくは２．０〜４．０Ｍｐａである。また、時間条件は、０．５〜３ｈである。

このような条件下で、接着剤４０を用いて金属ブロック１０と絶縁層２０との接着を行うことで、非常に強固な接着となり、実際の使用時において熱による接着剤の剥離も抑えることができるため、放熱効果の非常に高い水冷式回路基板１Ａを提供することができる。また、従来は金属ブロック１０と絶縁層２０との接着強度を向上するために、金属ブロック１０の表面をケミカルエッチングやサンドブラスにより粗面化することもあったが、接着剤４０により十分な接着強度を得ることができ、金属ブロック１０表面の粗面化が不要となった。このことにより工程数を削減でき、製造コストを抑えた水冷式回路基板１Ａを提供することができる。

なお、接着時に、接着剤４０に含まれる（Ｃ）のシロキサン結合の有機溶剤は大部分が揮発してしまうが、（Ａ）のエポキシ樹脂と、（Ｂ）の無機系充填剤の比率については、接着前と接着後でも変わらない。

このように、本実施形態の水冷式回路基板１は、金属ブロック１０と、金属ブロック１０表面の絶縁層２０と、絶縁層２０上に形成されＬＥＤ光源を実装するための導体パターン３０と、からなり、鋳造により作られた金属ブロック１０が、内部に冷却水が通過する貫通路１１を有する構成となっている。したがって、導電パターン３０に実装されたＬＥＤ光源からの発熱は、導電パターン３０、絶縁層２０を介して金属ブロック１０へ伝わり、貫通路１１の冷却水を介して放熱されることになる。そしてこの金属ブロック１０は、鋳造により作られているため接合部がなく、全体が均一な状態なので、熱が金属ブロック１０内を効率よく伝わっていくことになる。

また、従来のような複数の金属板を接合して貫通路を形成する構成ではないため、水冷式回路基板１は、量産性がよく低コストなものとなる。特に金属板の接合を拡散接合により行う従来のものと比べ、量産性に優れ低コストを実現することができる。また、拡散接合やロウ付けによる接合は、複数の金属板を接合することになるので、接合条件が難しく、条件によっては十分な接合が実現できないおそれがあるが、水冷式回路基板１はそのようなおそれもないため、接合部での劣化や冷却水漏れのおそれもない。

また、本実施形態の実施例で説明したように、金属ブロック１０と絶縁層２０との接着に（Ａ）エポキシ系樹脂と、（Ｂ）無機系充填剤と、（Ｃ）シロキサン結合の有機溶剤とが混合された接着剤４０を用いているため、接着強度が高く、接着後のプレス加工などによって剥離現象が生じ難いことから、ＵＶ系のＬＥＤ光源を実装し、使用した場合に、放熱効果の非常に高い水冷式回路基板１Ａとなっている。

また、本実施形態の水冷式回路基板１は、図２（Ｂ）に示すように、貫通路１１に冷却水を流すための注入口１２と排出口１３とが、金属ブロック１０の裏面に設けられている。注入口１２と排出口１３は、金属ブロック１０の裏面に限られるものではなく、金属ブロック１０の側面に設けても構わない。

しかしながら、本実施形態のように金属ブロック１０の裏面に注入口１２と排出口１３を設けておくことにより、図６に示すように、水冷式回路基板１を複数並べて用いる場合に、水冷式回路基板１同士を隣接させて用いることができる。なお、本実施形態においては、金属ブロック１０の裏面の注入口１２と排出口１３の位置が、対角線上に位置するように設けている。

このように複数の水冷式回路基板１を用いる使用形態の場合には、一方の水冷式回路基板１（図６においては左側の水冷式回路基板１）の排出口１３と、他方の水冷式回路基板１の注入口１２とを図示しない連結パイプを用いて接続しておくことで、複数の水冷式回路基板１を隣接して配置することができる。したがって、例えば、水冷式回路基板１を複数並べて配置することで線状光源としても使用でき、例えば商業用の大型印刷装置の光源として用いることもできる。

なお、貫通路１１を流れる冷却水は、水に限定されるわけではなく、水以外の他の液体や冷却用ガスでも構わない。また、図示してないが、水冷式回路基板１は、貫通路１１に流れる冷却水を循環させるために、ポンプやラジエータ等からなる循環装置が用いられている。
［実施形態２］

次に本発明の他の実施形態である実施形態２の水冷式回路基板１Ｂについて図面を用いて説明する。図７は、本実施形態の水冷式回路基板１Ｂの断面図である。なお、実施形態１の水冷式回路基板１及びその具体的実施例である水冷式回路基板１Ａと実施形態２の水冷式回路基板１Ｂと同様の構成については、同じ符号を用いてその説明を適宜省略する。

水冷式回路基板１Ｂは、冷却水が通過する貫通路１１１を有する接合金属板１１０と、接合金属板表面の絶縁層２０と、絶縁層２０上に形成されたＵＶ域のＬＥＤ光源を実装するための導電パターン３０と、接合金属板１１０と絶縁層２０とを接合する接着剤４０と、からなる。

より詳しくは、実施形態１においては鋳物の金属ブロック１０からなる金属基板を用いていたが、実施形態２の接合金属板１１０は、特許文献１に記載されているような複数の金属板を重ねて接合した金属基板からなるものである。接合金属板１１０は、表面に貫通路１１１となる溝を形成した金属板を拡散接合やロウ付けによって接合したものである。

このような接合金属板１１０を用いて水冷式回路基板１Ｂであるが、接合金属板１１０と絶縁層２０との接着に実施形態１の実施例と同様に接着剤４０を用いているため、接合金属板１１０と絶縁層２０との接着強度が非常に高く、接着後のプレス加工などによって剥離現象が生じ難いことから、ＵＶ系のＬＥＤ光源を実装し、使用した場合に、放熱効果の非常に高い水冷式回路基板１Ｂとなっている。
なお、本実施形態においても図６に示す実施形態１の構成のように、接合金属板１１０の裏面に注入口と排出口を設けておくことができる。

１、１Ａ、１Ｂ：水冷式回路基板
１０：金属ブロック
１１、１１１：貫通路
１１Ａ：金属パイプ
１２：注入口
１３：排出口
２０：絶縁層
３０：導電パターン
４０、Ａ：接着剤
１１０：接合金属板

Claims (8)

1. 冷却水が通過する貫通路を有する金属基板と、前記金属基板表面の絶縁層と、前記絶縁層上に形成されたＵＶ域のＬＥＤ光源を実装するための導電パターンと、前記金属基板と前記絶縁層とを接着する接着剤と、からなる水冷式回路基板であって、
   前記接着剤は、（Ａ）エポキシ系樹脂と（Ｂ）無機系充填剤と（Ｃ）シロキサン結合の有機溶剤が混合されたものであることを特徴とする水冷式回路基板。
2. 前記接着剤は、（Ａ）＋（Ｂ）＋（Ｃ）が１００重量％において、
   （Ａ）が３０〜６０重量％、
   （Ｂ）が１〜５重量％、
   （Ｃ）が残り、の比率で配合されていることを特徴とする請求項１に記載の水冷式回路基板。
3. 前記金属基板は、金属ブロックからなることを特徴とする請求項１に記載の水冷式回路基板。
4. 前記貫通路は、前記金属ブロックとは異なる金属パイプからなることを特徴とする請求項３に記載の水冷式回路基板。
5. 前記貫通路を通過する冷却水の注入口と排出口は、前記金属ブロックの裏面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水冷式回路基板。
6. 冷却水が通過する貫通路を有する金属基板と、ＵＶ域のＬＥＤ光源を実装するための導電パターンが形成された絶縁層と、を接着剤により接着してなる水冷式回路基板の製造方法であって、
   前記接着剤が、（Ａ）エポキシ系樹脂と（Ｂ）無機系充填剤と（Ｃ）シロキサン結合の有機溶剤が混合されたものであり、
   前記金属基板と前記絶縁層との間に前記接着剤を５０±２０μｍの厚みで塗布する工程と、
   温度条件１００〜２００℃、圧力条件１〜５Ｍｐａ、時間条件０．５〜３ｈにて、前記接着剤を硬化させて前記金属基板と前記絶縁層とを一体化する工程と、
   を有することを特徴とする水冷式回路基板の製造方法。
7. 前記金属基板は、冷却水が通過するための貫通路を内部に備えた鋳物の金属ブロックからなることを特徴とする請求項６に記載の水冷式回路基板の製造方法。
8. 前記貫通路は、金属パイプの鋳ぐるみにより形成されていることを特徴とする請求項７に記載の水冷式回路基板の製造方法。

Images