JP2019029395A - プリント配線板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属片を金属片収容孔内に配置固定する手段として、「圧入方式」を採用した場合においても、絶縁基板にクラックが発生したり、電子部品の実装時に当該電子部品が傾いたりすることのないプリント配線板及びその製造方法の提供。
【解決手段】電子部品からの発熱を、当該電子部品の直下に配置した金属片によって、電子部品実装側面と反対の面側に配置された放熱体へと伝熱させるプリント配線板であって、少なくとも、絶縁基板と、当該絶縁基板を貫通する金属片収容孔と、当該金属片収容孔内に配置固定された金属片とを有し、且つ、当該金属片の電子部品接続側露出面及び放熱体接続側露出面の外周縁部と当該金属片収容孔の内壁との間に環状溝部が形成されていることを特徴とするプリント配線板。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品からの発熱を、当該電子部品の直下に配置した金属片によって、当該電子部品実装側面と反対の面側に配置された放熱体へと伝熱させるプリント配線板とその製造方法に関するものである。

電子部品（例えば、「ＦＥＴ」や「ＭＯＳＦＥＴ」などの、発熱量の多い表面実装型電子部品）からの発熱を効率よく外部に放熱させる手段として、プリント配線板に実装する電子部品の直下に、貫通めっきスルーホールからなるサーマルビアを複数設け、当該プリント配線板の裏面側に配置された放熱体（放熱パターンやヒートシンク）などを介して外部に放熱させるという手段が、従来、一般的に利用されてきた。

しかし、機器の高機能化、高性能化の進展により、電子部品からの発熱量が、従来の物とは比べ物にならないほど多くなってきたため、上記貫通めっきスルーホールからなるサーマルビアでは、処理しきれなくなってきた（即ち、電子部品を正常に動作させるだけの放熱処理ができなくなってきた）。
そこで近年では、上記サーマルビアに代えて、熱容量の大きい金属片（例えば「銅片」）を埋め込むという手段が検討報告されている（例えば、特許文献１参照）。

上記「金属片」を埋め込む構成のプリント配線板の製造例（ここでは、配線パターンを形成する前の段階の「中間基板ｐｗ２」の製造例）を、図５に示した概略断面工程図を用いて説明する。
図５(ａ)に示したように、まず、電子部品実装側面Ａ及び放熱体配置側面Ｂに導体層２ｃが形成され、且つ、後に金属片５５を配置固定するための金属片収容孔３が形成された絶縁基板１を用意し、次いで、当該絶縁基板１を治具１４上に設置する。その後、当該金属片収容孔３の高さＨよりも長く、且つ、当該金属片収容孔３の孔径Ｄよりも短い直径からなる円柱形状の金属片素材５５ａを、当該金属片収容孔３内に挿入する。

次に、金属片収容孔３から突出している金属片素材５５ａの電子部品接続側露出面６６ａにプレスピン１５で荷重をかけ、当該金属片素材５５ａを塑性変形させることによって、図５(ｂ)に示した金属片５５が金属片収容孔３内に配置固定された中間基板ｐｗ２を得る、というものである。なお、図中に示した符号７７ａは、金属片素材５５ａの放熱体接続側露出面を示す。金属片収容孔３内に配置固定された金属片５５は、電子部品接続側露出面６６で通常半田を介して電子部品と接続されるとともに、放熱体接続側露出面７７で熱伝導性樹脂を介して放熱体と接続される。

ところで、金属片素材５５ａを塑性変形させることで、金属片５５を金属片収容孔３内に配置固定する上記の工法は、プリント配線板業界で「圧入方式」と呼ばれ、広く採用されている工法である。しかし、図６に示したように、金属片素材５５ａの塑性変形は、金属片５５の中央部Ｃ付近（図６の一点鎖線）が矢印ａの方向に膨らむ、いわゆる「樽型状」に変形するため、絶縁基板１にクラック１６（図５（ｂ）参照）が発生し易いという問題があった。

また、金属片５５は、プレスピン１５で荷重をかけた側の電子部品接続側露出面６６が、ほとんどの場合埋まりきれず、金属片収容孔３から突出することが知られている。とりわけ、絶縁基板１の板厚バラツキの大きい箇所（板厚の薄い箇所）では、５０μｍを超える突出量となることがある。金属片５５の電子部品接続側露出面６６が金属片収容孔３よりも突出してしまった場合には電子部品の実装時に傾きが出るという問題があった。

更に、金属片収容孔３内に配置固定される金属片５５の電子部品接続側露出面６６及び放熱体接続側露出面７７は、金属片収容孔３に金属片５５が埋まると金属片収容孔３の周囲の導体層２ｃの外面２２と略フラットな面となるが、当該金属片５５を埋め込んだプリント配線板を車載部品等の過酷な環境下（振動や温湿度環境）で使用する場合、電子部品やヒートシンク等の放熱体を配置する際に用いられる半田や熱伝導性樹脂との間で、剥離が発生する懸念もあった。

特開２０１０−２６３００３号公報

本発明は、上記の如き従来の問題と実状に鑑みなされたものであり、金属片を金属片収容孔内に配置固定する手段として、「圧入方式」を採用した場合においても、絶縁基板にクラックが発生したり、電子部品の実装時に当該電子部品が傾いたりすることのないプリント配線板及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記の課題を解決すべく種々研究を重ねた結果、円柱形状からなる胴体部と、当該胴体部の上下面から連成された円錐台部を有する金属片素材を用い、これを「圧入方式」により金属片収容孔内に配置固定すれば極めて良い結果が得られることを見い出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、電子部品からの発熱を、当該電子部品の直下に配置した金属片によって、電子部品実装側面と反対の面側に配置された放熱体へと伝熱させるプリント配線板であって、少なくとも、絶縁基板と、当該絶縁基板を貫通する金属片収容孔と、当該金属片収容孔内に配置固定された金属片とを有し、且つ、当該金属片の電子部品接続側露出面及び放熱体接続側露出面の外周縁部と当該金属片収容孔の内壁との間に環状溝部が形成されていることを特徴とするプリント配線板により上記課題を解決したものである。

また、本発明は、電子部品からの発熱を、当該電子部品の直下に配置した金属片によって、当該電子部品実装側面と反対の面側に配置された放熱体へと伝熱させるプリント配線板の製造方法であって、少なくとも、絶縁基板に金属片収容孔を形成する工程と、当該金属片収容孔の高さより高い長さと当該金属片収容孔の孔径より短い直径を有し、且つ、円柱形状の胴体部と当該胴体部の上下面から連成された円錐台部を有する金属片素材を当該金属片収容孔内に挿入する工程と、当該金属片素材の電子部品接続側露出面に荷重をかけ、当該荷重により塑性変形した金属片を金属片収容孔内に配置固定する工程とを有することを特徴とするプリント配線板の製造方法により上記課題を解決したものである。

本発明のプリント配線板は、金属片の電子部品接続側露出面及び放熱体接続側露出面の外周縁部と金属片収容孔の内壁との間に環状溝部が形成されているので、金属片と電子部品やヒートシンクなどの放熱体を配置する際に用いられる半田や熱伝導性樹脂との接触面積を大きくすることができるため、プリント配線板と当該半田や熱伝導性樹脂との間の密着強度を向上させることができる。これによって、プリント配線板を車載部品等の過酷な環境下（振動や温湿度環境）で使用する場合においてもプリント配線板と半田や熱伝導性樹脂との間での剥離の発生を抑制することができる。

また、本発明のプリント配線板の製造方法によれば、円柱形状の胴体部と当該胴体部の上下面から連成された円錐台部を有する金属片素材を用いるため、絶縁基板を貫通する金属片収容孔に金属片を配置固定する手段として「圧入方式」を採用した場合においても、金属片素材が塑性変形する際の変形部分を円錐台部の傾斜面と金属片収容孔の内壁との間に形成される隙間（環状溝部）に逃がすことができるので、金属片が金属片収容孔から突出せず、絶縁基板にクラックが発生したり、電子部品の実装時に当該電子部品が傾いたりすることのないプリント配線板を得ることができる。

本発明プリント配線板を用いたプリント回路基板の概略断面図。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明プリント配線板の製造例を示す概略断面工程図。 （ｃ）〜（ｅ）は、図２に続く概略断面工程図。 （ｆ）〜（ｇ）は、図３に続く概略断面工程図。 従来の「圧入方式」によるプリント配線板（中間基板）の製造例を説明するための概略断面工程図で、（ａ）は、金属片素材を金属片収容孔に挿入した状態を示した概略断面図、（ｂ）は、金属片素材を塑性変形させた金属片を、金属片収容孔内に配置固定した状態を示した概略断面図。 「圧入方式」で金属片収容孔内に配置固定された金属片の要部拡大断面図。

以下本発明プリント配線板の実施の形態を、図１を用いて説明する。

図１において、ＰＷはプリント配線板であり、電子部品実装側面Ａ及び放熱体配置側面Ｂに配線パターン２が形成された絶縁基板１と、当該絶縁基板１を貫通し、且つ、電子部品１７が実装される直下の位置に形成された金属片収容孔３と、当該金属片収容孔３内に配置固定された金属片５と、一部の領域を除いて形成された配線パターン２を保護するためのソルダーレジスト１２とから構成されている。

斯かるプリント配線板ＰＷにおいて、金属片収容孔３内に配置固定されている金属片５の上面、すなわち電子部品接続側露出面６は、絶縁基板１における電子部品実装側面Ａに形成された配線パターン２の外側面２２と略面一の位置にあるか或いは電子部品の実装に影響が出ない範囲（例えば、当該配線パターン２の外側面２２から５０μｍ以内の高さ）で突出している。この配線パターン２の外側面２２と略面一の位置或いは外側面２２からの突出量が５０μｍ以内という高さであれば、電子部品１７の実装時に当該電子部品１７が傾いたりすることを防ぐことができる。
一方、金属片５の下面、すなわち放熱体接続側露出面７は、絶縁基板１における放熱体配置側面Ｂに形成されている配線パターン２の外側面２２と略面一の位置にある。
また、当該金属片５は、電子部品接続側露出面６及び放熱体接続側露出面７の両面側とも、その外周縁部に曲面部１０を有しており、当該曲面部１０をもって、当該金属片５の電子部品接続側露出面６及び放熱体接続側露出面７の外周縁部と金属片収容孔３の内壁３ａとの間に環状溝部１３が設けられている。

そして、当該プリント配線板ＰＷの電子部品実装側面Ａに半田１９を介して電子部品１７が実装されているとともに、放熱体配置側面Ｂに熱伝導性樹脂２１を介して放熱体２０が配置されてプリント回路基板ＰＣが構成されている。なお、図１中、符号１８は電子部品１７から引き出された端子で、実装パッド２ａに半田１９を介して接続されている。
金属片５の電子部品接続側露出面６及び放熱体接続側露出面７の外周縁部と金属片収容孔３の内壁３ａとの間の環状溝部１３によって、金属片５と電子部品１７や放熱体２０を配置する際に用いられる半田１９や熱伝導性樹脂２１との接触面積を大きくすることができるため、プリント配線板と当該半田や熱伝導性樹脂との間の密着強度を向上させることができる。これによって、プリント配線板を車載部品等の過酷な環境下（振動や温湿度環境）で使用する場合においてもプリント配線板と半田や熱伝導性樹脂との間での剥離の発生を抑制することができる。

続いて、上記プリント配線板ＰＷの製造方法を図２及び図３を用いて説明する。

まず、図２（ａ）に示したように、表裏面に金属箔２ｂが積層された絶縁基板１を用意し、当該絶縁基板１の所望の位置に、ドリルやパンチング、レーザー加工などによって、図２（ｂ）に示した金属片収容孔３（例えば、切径がφ５．０〜６．０ｍｍ）を穿孔する。

絶縁基板１の材料としては、一般的に用いられるガラスクロスなどの補強繊維にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させたものが、耐熱性や汎用性、コスト的な面で好ましく利用できる。また、金属箔としては、一般的な銅箔が、導電性や加工性、コスト的な面で好ましく利用できる。
絶縁基板１の厚みに関しては、一概にその厚みを示すことはできないが、単層や多層のいずれの形態であっても、全体的な厚みとしては、例えば１．０〜１．６ｍｍ程度である。また、金属箔の厚みに関しては、１８〜３５μｍ程度のものが一般的に用いられる。

次に、図３（ｃ）に示したように、金属片収容孔３が形成された絶縁基板１に対して、無電解めっき処理（例えば、無電解銅めっき処理）、電解めっき処理（例えば、電解銅めっき処理）を順次行うことによって、当該金属片収容孔３を含む絶縁基板１の全体にめっき膜４（例えば、厚さが約２５μｍの銅めっき膜）を析出させる。

続いて、金属片収容孔３の高さＨより高い長さ（例えば、１．１〜１．８ｍｍ）と金属片収容孔３の孔径Ｄより短い直径（例えば、４．７〜５．７ｍｍ）を有する焼き鈍し済みの金属片素材５ａを用意する。当該金属片素材５ａは、図３（ｄ）に示したように、円柱形状の胴体部８と当該胴体部８の上下面から連成された円錐台部９を有する。円錐台部９の電子部品接続側露出面６ａ側及び放熱体接続側露出面７ａ側の径は、例えば、φ３．０〜４．０ｍｍに設定する。
斯かる金属片素材５ａは、銅などの金属棒を必要な体積に合わせてカットし、これを型に押し込むことによって、所望とする形状及び寸法のものを製造するヘッダー工法によって用意することができる。

次に、金属片収容孔３に金属片素材５ａを配置する工程であるが、「圧入方式」により行うことができる。すなわち、めっき膜４が析出された絶縁基板１を治具１４上に設置した後、金属片素材５ａを当該金属片収容孔３内に挿入し（図３（ｄ）参照）、次いで、当該金属片素材５ａの電子部品接続側露出面６ａにプレスピン１５で荷重をかけ、当該金属片素材５ａを塑性変形させることによって、図３（ｅ）に示した金属片収容孔３内に金属片５が配置固定された中間基板ｐｗ１を得る。

本発明においては、「圧入方式」を採用した場合においても、金属片素材５ａが塑性変形する際の変形部分を円錐台部９の傾斜面１１と金属片収容孔３の内壁３ａとの間にできる隙間に逃がせるため、図３（ｅ）に示したように、絶縁基板１の中央部付近に集中していた矢印ａ方向の応力を、矢印ｂ、ｃ方向に分散することができる。これにより、絶縁基板１にクッラク１６（図５（ｂ）参照）が発生するのを抑制することができる。
また、金属片収容孔３の周辺に形成される配線パターン２の外側面２２と金属片５の電子部品接続側露出面６、放熱体接続側露出面７とが略面一の位置、若しくは、電子部品１７の実装に影響が出ない範囲の突出量となるように当該金属片５を配置固定することができるため、電子部品１７の実装時に当該電子部品１７が傾いたりすることを防ぐことができる。

また、本発明においては、絶縁基板１の板厚バラツキを基板面内の数箇所で予め計測しておき、金属片素材５ａの体積を、板厚が最も薄い部分に形成された金属片収容孔３内の体積と同一になるようにしておけば、金属片５と金属片収容孔３との間にできる環状溝部１３の大きさに大小が発生するものの、板厚が厚い部分、薄い分に関係なく、容易に、配線パターン２の外側面２２と金属片５の電子部品接続側露出面６、放熱体接続側露出面７とが略面一の位置、若しくは、電子部品１７の実装に影響が出ない範囲の突出量となるように当該金属片５を配置固定することができる。
さらに、絶縁基板１に形成された全ての金属片収容孔３内の体積を計測しておき、当該体積に応じた体積の金属片素材５ａを各々挿入すれば、より精度の高い（例えば、金属片収容孔３内でのホールド不足による金属片５の落下や、金属片５の電子部品接続側露出面６の面積低下による放熱性の低下などの懸念が少ない）プリント配線板が得られる。

なお、図３（ｅ）に示したように、金属片収容孔３内に配置固定された金属片５は、金属片素材５ａがその電子部品接続側露出面６ａ及び放熱体接続側露出面７ａに向かって先細り形状である関係上、金属片５は電子部品接続側露出面６及び放熱体接続側露出面７の両面側とも、その外周縁部に曲面部１０を有し、金属片５の電子部品接続側露出面６及び放熱体接続側露出面７と金属片収容孔３の内壁３ａとの間に環状溝部１３が形成されるため、後に電子部品やヒートシンク等の放熱体を配置する際に用いられる半田や熱伝導性樹脂との接触面積を大きくすることができ、これをもって、プリント配線板を車載部品等の過酷な環境下（振動や温湿度環境）で使用されした場合においても、当該半田や熱伝導性樹脂との間で剥離が発生するのを抑制することができる。
また、金属片５の電子部品接続側露出面６及び放熱体接続側露出面７の外周縁部に曲面部１０が形成されることで、半田や熱伝導性樹脂との間にボイドが発生するのも抑制することができる。

次に、治具１４を外し、絶縁基板１の電子部品実装側面Ａ及び放熱体配置側面Ｂに積層されている導体層２ｃに、周知のフォトエッチングプロセス（導体層上に感光性のエッチングレジスト膜をラミネートし、露光・現像処理によって、エッチングレジストパターンを形成した後、当該エッチングレジストパターンから露出している導体層をエッチング処理によって除去する。その後、図４（ｆ）に示したように、不要になったエッチングレジストパターンを剥離することによって、所望の配線パターンを形成するという配線パターンの形成方法）を施すことによって、当該絶縁基板１の電子部品実装側面Ａ及び放熱体配置側面Ｂに実装パッド２ａを含む配線パターン２を形成し、次いで、配線パターン２を保護するためのソルダーレジスト１２を、一部の配線パターン２や実装パッド２ａが露出する形で形成することによって、図４（ｇ）に示した金属片収容孔３内に金属片５が配置固定されたプリント配線板ＰＷを得る。

なお、本発明を説明するに当たって、単層の絶縁基板１の表裏面に導体層（後に配線パターン２となる層）が形成された両面プリント配線板の形態を用いて説明してきたが、絶縁基板１の一方の面にのみ導体層を設ける片面プリント配線板や絶縁基板１と導体層とを交互に複数積層してなる多層プリント配線板の形態においても、本発明は利用可能である。また、金属片収容孔３の内壁にめっき膜４が形成された例を用いて説明したが、図５に示した従来技術の構成のように、めっき膜を設けない構成とすることも勿論可能である。

１：絶縁基板
２：配線パターン
２ａ：実装パッド
２ｂ：金属箔
２ｃ：導体層
２２：外側面
３：金属片収容孔
３ａ：金属片収容孔の内壁
４：めっき膜
５、５５：金属片
５ａ、５５ａ：金属片素材
６、６ａ、６６、６６ａ：電子部品接続側露出面
７、７ａ、７７、７７ａ：放熱体接続側露出面
８：胴体部
９：円錐台部
１０：曲面部
１１：傾斜面
１２：ソルダーレジスト
１３：環状溝部
１４：治具
１５：プレスピン
１６：クラック
１７：電子部品（発熱部品）
１８：端子
１９：半田
２０：放熱体
２１：熱伝導性樹脂
Ａ：電子部品実装側面
Ｂ：放熱体配置側面
Ｃ：金属片の中央部
ＰＷ：プリント配線板
ｐｗ１、ｐｗ２：中間基板
Ｐｃ：プリント回路基板

Claims (5)

1. 電子部品からの発熱を、当該電子部品の直下に配置した金属片によって、電子部品実装側面と反対の面側に配置された放熱体へと伝熱させるプリント配線板であって、少なくとも、絶縁基板と、当該絶縁基板を貫通する金属片収容孔と、当該金属片収容孔内に配置固定された金属片とを有し、且つ、当該金属片の電子部品接続側露出面及び放熱体接続側露出面の外周縁部と当該金属片収容孔の内壁との間に環状溝部が形成されていることを特徴とするプリント配線板。
2. 当該金属片は、その電子部品接続側露出面及び放熱体接続側露出面の外周縁部に曲面部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
3. 電子部品からの発熱を、当該電子部品の直下に配置した金属片によって、当該電子部品実装側面と反対の面側に配置された放熱体へと伝熱させるプリント配線板の製造方法であって、少なくとも、絶縁基板に金属片収容孔を形成する工程と、当該金属片収容孔の高さより高い長さと当該金属片収容孔の孔径より短い直径を有し、且つ、円柱形状の胴体部と当該胴体部の上下面から連成された円錐台部を有する金属片素材を当該金属片収容孔内に挿入する工程と、当該金属片素材の電子部品接続側露出面に荷重をかけ、当該荷重により塑性変形した金属片を金属片収容孔内に配置固定する工程とを有することを特徴とするプリント配線板の製造方法。
4. 当該金属片素材は、絶縁基板の板厚が最も薄い部分に形成する金属片収容孔内の体積と同一の体積を有することを特徴とする請求項３に記載のプリント配線板の製造方法。
5. 当該金属片素材は、それを挿入する金属片収容孔内の体積と同一の体積を有することを特徴とする請求項３に記載のプリント配線板の製造方法。