JP2019179819A - 放熱基板、及び放熱基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱部材を用いた安定した導電経路を確保しつつ、クラックの発生を抑制することができる放熱基板、及び放熱基板の製造方法を提供する。【解決手段】基体に実装された実装部品から発生する熱を放熱する放熱基板において、基体に設けられ、基体を貫通するとともに基体の表面及び基体の裏面を電気的に接続するスルーホールと、スルーホールに接合され、基体の表面に設けられた実装部品から発生する熱を基体の表面から基体の裏面へ伝達する伝熱部材と、伝熱部材のスルーホールと接する面に形成され、伝熱部材及びスルーホールを接合し、かつ伝熱部材及びスルーホールを電気的に接続する凹凸形状を有する接合部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱基板、及び放熱基板の製造方法に関する。

プリント配線基板の表面に設置された実装部品から発生する熱をプリント配線基板の裏面に設置されたヒートシンクに逃がす場合、スルーホールを設けることが一般的に行われている。例えば、下記特許文献１に開示されるように、装置の小型化要求の流れの中でプリント配線基板に熱伝導率が高い材料からなる伝熱部材（インレイ）をスルーホールに埋め込む方法が提案されている。さらに、特許文献２に開示されるように、伝熱部材の上面及び下面に対してめっき加工を施すことも提案されている。

特開平２−１３４８９５号公報 特許第３１７４３９３号明細書

ところで、上記伝熱部材を埋め込んだプリント配線基板（以降、放熱基板と記載する。）には、伝熱部材を埋め込んだ部分に導電経路としての機能を持たせるという要望がある。しかしながら、埋め込まれた伝熱部材は伝熱部材埋め込み用のスルーホールと単に接触しているだけであるため、電気的接続という点において、安定した導電経路を確保することができない。このため、伝熱部材とは別にスルーホールを形成する必要があり、その分のスペースが必要になるという問題がある。また、スルーホールに対して伝熱部材を強く押し付けようとすると、放熱基板にクラックが発生するという問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、伝熱部材を用いた安定した導電経路を確保しつつ、クラックの発生を抑制することができる放熱基板、及び放熱基板の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本実施形態に係る放熱基板は、基体に実装された実装部品から発生する熱を放熱するものであって、前記基体に設けられ、前記基体を貫通するとともに前記基体の表面及び前記基体の裏面を電気的に接続するスルーホールと、前記スルーホールに接合され、前記基体の表面に設けられた前記実装部品から発生する熱を前記基体の表面から前記基体の裏面へ伝達する伝熱部材と、前記伝熱部材の前記スルーホールと接する面に形成され、前記伝熱部材及び前記スルーホールを接合し、かつ前記伝熱部材及び前記スルーホールを電気的に接続する凹凸形状を有する接合部と、を具備する。

上記構成によれば、本実施形態に係る放熱基板は、接合部により伝熱部材をスルーホールに接合することができる。また、伝熱部材がスルーホールに弾性を持って接触することで伝熱部材及びスルーホールの接触を安定させ、導電の安定性を向上することができる。また、凹凸形状により放熱基板に対する応力を吸収することができる。また、スルーホールに雌ねじを設け、伝熱部材に雄ねじを設け、伝熱部材をスルーホールに螺合する手法をとることで、伝熱部材及びスルーホールの接触面を増やし、導電の安定性を向上することができる。さらに、伝熱部材をスルーホールに圧入する場合、又はカシメる場合と比較して、伝熱部材及び基体間に生じる応力を低減することができる。このため、クラックの発生を抑制することができる。

本実施形態に係る放熱基板は、伝熱部材を用いた安定した導電経路を確保しつつ、クラックの発生を抑制することができる。

第１実施形態に係る放熱基板を示す断面図である。 第１実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第１実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第１実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第１実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第１実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第１実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第２実施形態に係る放熱基板を示す断面図である。 第２実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第２実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第２実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第２実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第２実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第２実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。 第２実施形態に係る放熱基板の製造方法の各製造工程における断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る放熱基板、及び放熱基板の製造方法について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る放熱基板１の断面図である。図１は、実装部品ＥＣの実装面と垂直に交わる放熱基板１の断面を示している。図１に示す放熱基板１は、基体２に設けられ、基体２を貫通するとともに基体２の表面ＦＳ及び基体２の裏面ＲＳを電気的に接続するスルーホール３に、基体２の表面ＦＳに設けられた実装部品ＥＣから発生する熱を基体２の表面ＦＳから基体２の裏面ＲＳへ伝達する伝熱部材４を接合した基板である。第１実施形態に係る放熱基板１は、インレイ基板とも呼ばれる。例えば、第１実施形態に係る放熱基板１の伝熱部材４は、基体２の表面ＦＳに設けられた実装部品ＥＣから発生する熱を基体２の裏面ＲＳに設けられたヒートシンクＨへ伝達する。これにより、実装部品ＥＣから発生する熱をヒートシンクＨにより空間へ放出することができる。

基体２は、板状の部材である。例えば、基体２は、樹脂材料を含む。具体的には、基体２は、樹脂材料のみからなる単層の樹脂板であってよく、樹脂板の両面に銅等の金属箔を貼り合わせた両面板、又は樹脂材料及び銅等の金属箔を少なくとも２つ積層した多層板であってもよい。なお、第１実施形態において、上記金属箔は銅に限定されることなく、放熱基板１の使用用途等に応じて、アルミニウム、鉄、銀、及び金等の他の金属材料を用いることができる。

スルーホール３は、上記基体２に形成された貫通孔５、及び貫通孔５によって露出した基体２の露出面、基体２の表面ＦＳ及び基体２の裏面ＲＳに形成された金属膜６により構成される。貫通孔５は、基体２の実装面上における実装部品ＥＣの設置位置に形成される。貫通孔５の実装面上の形状は、一般に用いられる伝熱部材４の形状と一致、又は略一致する形状である。例えば、第１実施形態における貫通孔５の実装面上の形状は、円形状である。

金属膜６は、貫通孔５によって露出した基体２の露出面、基体２の表面ＦＳ及び基体２の裏面ＲＳに成膜処理を施すことで基体２に形成される。なお、第１実施形態における成膜処理は、例えば、めっき処理である。ここで、上記金属膜６は、後述する成膜工程において形成される。金属膜６は、例えば、銅からなる。なお、第１実施形態における金属膜６は、銅に限定されることなく、放熱基板１の使用用途や要求されるスルーホール３の特性に応じて、ニッケル、錫、はんだ、銀、金等の他の金属材料を用いることができる。

伝熱部材４には、接合部７が形成される。接合部７は、伝熱部材４のスルーホール３と接する面に形成される。接合部７は、伝熱部材４及びスルーホール３を接合し、かつ伝熱部材４及びスルーホール３を電気的に接続する凹凸形状を有する。ここで、第１実施形態における接合部７は、導電性を備える複数の突起を有する。例えば、当該接合部７は、伝熱部材４のスルーホール３と接する面を切削若しくは成型、又はエッチング処理等の表面加工を施すことで形成される。また、伝熱部材４は、熱伝導率が高い材料により構成される。例えば、第１実施形態における伝熱部材４は、銅等の比較的柔らかい金属を使用する。また、伝熱部材４は、スルーホール３に圧入する、又はカシメることが可能な形状の本体部分を有し、当該本体部分のスルーホール３と接する面に複数の突起を有する。例えば、第１実施形態における伝熱部材４は、円柱形状の本体部分を有し、当該円柱形状の本体部分のスルーホール３と接する面に複数の突起を有する。ここで、第１実施形態における上記接合部７を含めた伝熱部材４の幅（例えば、円柱形状の本体部分の径と突起の長さを合わせたもの）は、スルーホール３の径より大きい。また、第１実施形態における伝熱部材４の高さは、基体２の表面ＦＳから基体２の裏面ＲＳまでの長さと略一致する。

ここで、第１実施形態に係る放熱基板１の製造方法について、図２乃至図７を参照して説明する。図２乃至図７は、第１実施形態に係る放熱基板１の製造方法の各製造工程における断面図である。

まず、図２に示すように、基体２を図示しない加工台に準備する（準備工程）。次に、基体２に設けられ、基体２を貫通するとともに基体２の表面及び基体２の裏面を電気的に接続するスルーホール３を形成する（スルーホール形成工程）。具体的には、図３に示すように、図示しない切削工具を使用して、基体２に貫通孔５を形成する。次に、図４に示すように、貫通孔５によって露出した基体２の露出面、基体の表面ＦＳ及び基体２の裏面ＲＳに金属膜６を形成する。これにより、スルーホール３を基体２に形成する。

次に、図５に示すように、伝熱部材４を図示しない加工台に準備する。さらに、図６に示すように、接合部７として、伝熱部材４のスルーホール３と接する面に複数の突起を形成する（接合部形成工程）。このとき、上記突起を含めた伝熱部材４の幅は、スルーホール３の径より大きいことが必要であり、スルーホール３の径より突起を含めた伝熱部材４の幅が＋０．０１〜＋０．１０ｍｍ大きいことが好ましい。

最後に、図７に示すように、伝熱部材４をスルーホール３に接合する（接合工程）。ここで、第１実施形態に係る放熱基板１の製造方法において、伝熱部材４に形成された複数の突起がスルーホール３に接触するように、伝熱部材４を基体２の表面に載置する。さらに、伝熱部材４に図示しない圧入治具を当接し、当該圧入治具をスルーホール３の軸方向に沿って移動させることによってスルーホール３に伝熱部材４を圧入する。上記の通り、上記突起を含めた伝熱部材４の幅は、スルーホール３の径より大きい。このため、スルーホール３に伝熱部材４を圧入するときに、突起が潰れる、又は折れ曲がる。これにより、第１実施形態に係る放熱基板１の製造方法において、伝熱部材４をスルーホール３に接合することができる。また、突起が潰れる、又は折れ曲がることで、スルーホール３に伝熱部材４を圧入するときに生じる応力を吸収することができる。また、突起が潰れる、又は折れ曲がることで、伝熱部材４がスルーホール３に弾性的に接触する面を増やすことができ、導電の安定性を向上することができる。

上述の通り、第１実施形態に係る放熱基板１の製造方法において、伝熱部材４及びスルーホール３を接合し、かつ伝熱部材４及びスルーホール３を電気的に接続する接合部７を、伝熱部材４のスルーホール３と接する面に形成する。また、接合部７により伝熱部材４をスルーホール３に接合する。具体的には、接合部７として、伝熱部材４のスルーホール３と接する面に導電性を備える突起を形成する。また、伝熱部材４に形成された複数の突起がスルーホール３に接触するように、伝熱部材４を基体２の表面に載置する。さらに、伝熱部材４に図示しない圧入治具を当接し、当該圧入治具をスルーホール３の軸方向に沿って移動させることによってスルーホール３に伝熱部材４を圧入する。

上記構成によれば、第１実施形態に係る放熱基板１は、接合部７により伝熱部材４をスルーホール３に接合することができる。また、伝熱部材４に形成された複数の突起が潰れる、又は折れ曲がることで、スルーホール３に伝熱部材４を圧入するときに生じる応力を吸収することができる。また、伝熱部材４に形成された複数の突起が潰れる、又は折れ曲がることで、伝熱部材４がスルーホール３に接触する面を増やすことができ、導電の安定性を向上することができる。

かくして、第１実施形態に係る放熱基板１は、伝熱部材４を用いた安定した導電経路を確保することができる。また、第１実施形態に係る放熱基板１は、放熱基板１に対する応力を軽減することができる。すなわち、第１実施形態に係る放熱基板１は、クラックの発生を抑制することができ、放熱基板１の信頼性を向上することができる。

ここで、上記第１実施形態に係る放熱基板１において、複数の突起は、伝熱部材４のスルーホール３と接する面に形成される。さらに、第１実施形態に係る放熱基板１において、スルーホール３の伝熱部材４と接する面に複数の突起が形成されてもよい。スルーホール３に形成された複数の突起は、伝熱部材４に形成された複数の突起と同様に、比較的柔らかい金属を使用する。例えば、当該スルーホール３に形成された複数の突起は、スルーホール３の伝熱部材４と接する面を切削若しくは成型、又はエッチング処理等の表面加工を施すことで形成される。

上記構成によれば、第１実施形態に係る放熱基板１において、スルーホール３に形成された複数の突起が潰れる、又は折れ曲がることで、スルーホール３に伝熱部材４を圧入するときに生じる応力を吸収することができる。また、スルーホール３に形成された複数の突起が潰れる、又は折れ曲がることで、スルーホール３が伝熱部材４に接触する面を増やすことができ、導電の安定性を向上することができる。

また、第１実施形態に係る放熱基板１において、伝熱部材４の高さは、基体２の表面ＦＳから基体２の裏面ＲＳまでの長さと略一致する。しかしながら、第１実施形態に係る放熱基板１において、伝熱部材４の高さは、スルーホール３の圧入前において、基体２の表面ＦＳから基体２の裏面ＲＳまでの長さと一致していなくてもよい。伝熱部材４の高さは、例えば、圧入により伝熱部材４の本体部分を潰すこと、又は圧入後にはみ出た伝熱部材４の本体部分を切削することにより、基体２の表面ＦＳから基体２の裏面ＲＳまでの長さと略一致させるようにしてもよい。

なお、第１実施形態に係る放熱基板１において、伝熱部材４の高さは、基体２の表面ＦＳから基体２の裏面ＲＳまでの長さと略一致する。第１実施形態に係る放熱基板１において、例えば、メタルマスクを使用したクリーム半田の形成性を考慮して、伝熱部材４の高さを基体２の表面ＦＳから基体２の裏面ＲＳまでの長さより意図的に低くするようにしてもよい。

また、当該貫通孔５の実装面上の形状は、円形状に限定されるものではなく、例えば、当該実装部品ＥＣの形状に合わせて形成してもよい。また、伝熱部材４の形状も、円柱形状に限定されるものではなく、当該実装部品ＥＣの形状に合わせて形成してもよい。また、第１実施形態における接合部７は、基体２を加工する加工台とは別の加工台において、上記準備工程、又はスルーホール形成工程の少なくとも一つの工程と同じタイミングで形成しても、別のタイミングで形成してもよい。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る放熱基板１０の断面図である。なお、図８は、実装部品ＥＣの実装面と垂直に交わる放熱基板１０の断面を示している。ここで、第２実施形態では、第１実施形態と重複する構成の詳細な説明を省略し、必要に応じて適宜記載することとする。

図８に示す放熱基板１０は、図１に示す放熱基板１と同様に、基体２に設けられ、基体２を貫通するとともに基体２の表面ＦＳ及び基体２の裏面ＲＳを電気的に接続するスルーホール３に、基体２の表面ＦＳに設けられた実装部品ＥＣから発生する熱を基体２の表面ＦＳから基体２の裏面ＲＳへ伝達する伝熱部材４を接合した基板である。例えば、第２実施形態に係る放熱基板１０の伝熱部材４は、基体２の表面ＦＳに設けられた実装部品ＥＣから発生する熱を基体２の裏面ＲＳに設けられたヒートシンクＨへ伝達する。これにより、実装部品ＥＣから発生する熱をヒートシンクＨにより空間へ放出することができる。

ここで、第２実施形態におけるスルーホール３には、伝熱部材４と接する面に雌ねじ８となる複数の突起が形成される。当該雌ねじ８は、上記スルーホール３に対応する金属膜６の一部を切削することで形成される。このため、第２実施形態における成膜処理において、上記スルーホール３を構成する金属膜６を雌ねじ８の分だけ厚めに形成することが好ましい。

また、第２実施形態における伝熱部材４には、接合部として、上記雌ねじ８に対応する雄ねじ９となる複数の突起が形成される。雄ねじ９は、伝熱部材４のスルーホール３と接する面に形成される。当該雄ねじ９は、例えば、伝熱部材４のスルーホール３と接する面を切削することで形成される。

ここで、第２実施形態に係る放熱基板１０の製造方法について、図９乃至図１５を参照して説明する。図９乃至図１５は、第２実施形態に係る放熱基板１０の製造方法の各製造工程における断面図である。

まず、図９に示すように、基体２を図示しない加工台に準備する（準備工程）。次に、基体２に設けられ、基体２を貫通するとともに基体２の表面及び基体２の裏面を電気的に接続するスルーホール３を形成する（スルーホール形成工程）。具体的には、図１０に示すように、図示しない切削工具を使用して、基体２に貫通孔５を形成する。次に、図１１に示すように、貫通孔５によって露出した基体２の露出面、基体の表面ＦＳ及び基体２の裏面ＲＳに金属膜６を形成する。これにより、スルーホール３を基体２に形成する。

次に、図１２に示すように、図示しないネジ切り工具を使用して、伝熱部材４のスルーホール３と接する面に雌ねじ８を形成する。また、図１３に示すように、伝熱部材４を図示しない加工台に準備する。さらに、図１４に示すように、図示しないネジ切り工具を使用して、伝熱部材４のスルーホール３と接する面に雄ねじ９を形成する（接合部形成工程）。

最後に、図１５に示すように、接合部により伝熱部材４をスルーホール３に接合する（接合工程）。ここで、第２実施形態に係る放熱基板１０の製造方法において、スルーホール３に形成された雌ねじ８に伝熱部材４に形成された雄ねじ９を螺合することで、伝熱部材４をスルーホール３に螺接する。上記の通り、スルーホール３に雌ねじ８を設け、伝熱部材４に雄ねじ９を設けることで、伝熱部材４をスルーホール３に螺合することができ、伝熱部材４をスルーホール３に螺接することができる。また、圧入法やカシメ法において避けることができなかった放熱基板１０に対する応力を低減することができる。また、スルーホール３及び伝熱部材４の接触する面を増やすことができ、導電の安定性を向上することができる。

上述の通り、第２実施形態に係る放熱基板１０は、伝熱部材４及びスルーホール３を接合し、かつ伝熱部材４及びスルーホール３を電気的に接続する接合部を、伝熱部材４のスルーホール３と接する面に形成する。また、接合部により伝熱部材４をスルーホール３に接合する。具体的には、スルーホール３に雌ねじ８を設け、伝熱部材４に雄ねじ９を設ける。また、スルーホール３に形成された雌ねじ８に伝熱部材４に形成された雄ねじ９を螺合することで、伝熱部材４をスルーホール３に螺接する。

上記構成によれば、第２実施形態に係る放熱基板１０は、スルーホール３に雌ねじ８を設け、伝熱部材４に雄ねじ９を設けることで、伝熱部材４をスルーホール３に螺合することができる。また、圧入法やカシメ法において避けることができなかった放熱基板１０に対する応力を低減することができる。また、スルーホール３及び伝熱部材４の接触する面を増やすことができ、導電の安定性を向上することができる。

かくして、第２実施形態に係る放熱基板１０は、伝熱部材４を用いた安定した導電経路を確保することができる。また、第２実施形態に係る放熱基板１０は、放熱基板１０に対する応力を低減することができる。すなわち、第２実施形態に係る放熱基板１０は、クラックの発生を抑制することができ、放熱基板１０の信頼性を向上することができる。

ここで、上記突起を設ける手法、並びに雌ねじ８及び雄ねじ９を設ける手法、共に、回路形成、ソルダーマスク形成、及び電気検査等の放熱基板１の製造工程は、伝熱部材が無いものと同様に行うこととする。

１ 放熱基板
２ 基体
３ スルーホール
４ 伝熱部材
５ 貫通孔
６ 金属膜
７ 接合部
８ 雌ねじ
９ 雄ねじ
１０ 放熱基板
ＥＣ 実装部品
Ｈ ヒートシンク

Claims (9)

1. 基体に実装された実装部品から発生する熱を放熱する放熱基板において、
   前記基体に設けられ、前記基体を貫通するとともに前記基体の表面及び前記基体の裏面を電気的に接続するスルーホールと、
   前記スルーホールに接合され、前記基体の表面に設けられた前記実装部品から発生する熱を前記基体の表面から前記基体の裏面へ伝達する伝熱部材と、
   前記伝熱部材の前記スルーホールと接する面に形成され、前記伝熱部材及び前記スルーホールを接合し、かつ前記伝熱部材及び前記スルーホールを電気的に接続する凹凸形状を有する接合部と、を具備する、放熱基板。
2. 前記接合部は、導電性を備える複数の突起を有する、請求項１に記載の放熱基板。
3. 前記スルーホールは、前記伝熱部材と接する面に導電性を備える複数の突起を有する、請求項２に記載の放熱基板。
4. 前記接合部の前記複数の突起に前記スルーホールの前記複数の突起を螺合することで、前記伝熱部材に前記スルーホールを螺接する、請求項３に記載の放熱基板。
5. 基体を準備する準備工程と、
   前記基体に設けられ、前記基体を貫通するとともに前記基体の表面及び前記基体の裏面を電気的に接続するスルーホールを形成するスルーホール形成工程と、
   前記基体の表面に実装された実装部品から発生する熱を前記基体の表面から前記基体の裏面へ伝達する伝熱部材及び前記スルーホールを接合し、かつ前記伝熱部材及び前記スルーホールを電気的に接続する凹凸形状を有する接合部を、前記伝熱部材の前記スルーホールと接する面に形成する接合部形成工程と、
   前記接合部により前記伝熱部材を前記スルーホールに接合する接合工程と、を含む、放熱基板の製造方法。
6. 前記接合部形成工程は、前記接合部として、前記伝熱部材の前記スルーホールと接する面に導電性を備える複数の突起を形成することを含む、請求項５に記載の放熱基板の製造方法。
7. 前記接合部形成工程は、前記スルーホールの前記伝熱部材と接する面に導電性を備える複数の突起を形成することをさらに含む、請求項６に記載の放熱基板の製造方法。
8. 前記接合工程は、前記伝熱部材に形成された前記複数の突起が前記スルーホールに接触するように、前記伝熱部材を前記基体の表面に載置し、前記伝熱部材に圧入治具を当接し、前記圧入治具を前記スルーホールの軸方向に沿って移動させることによって前記スルーホールに前記伝熱部材を圧入することを含む、請求項６、又は請求項７に記載の放熱基板の製造方法。
9. 前記接合工程は、前記スルーホールに形成された前記複数の突起に前記伝熱部材に形成された前記複数の突起を螺合することで、前記伝熱部材を前記スルーホールに螺接することを含む、請求項７に記載の放熱基板の製造方法。

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