JP2019201066A

JP2019201066A - 放熱基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP2019201066A
Application number: JP2018093585A
Authority: JP
Inventors: 普崇谷口; Hirotaka Taniguchi
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-11-21

Abstract

【課題】発熱と吸熱の切り替えによる温度制御が可能な放熱基板及びその製造方法の提供を目的とする。【解決手段】本発明に係る放熱基板１０は、行列状に並べられている複数の熱電素子５１Ｐ，５１Ｎと、複数の熱電素子５１Ｐ，５１Ｎを直列接続する電極板５２を有するペルチェ素子モジュール５０が内蔵されている。そして、熱電素子の間のスペース５５が封止材５８で埋められている。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱部品を内蔵する放熱基板及びその製造方法に関する。

従来、この種の放熱基板として、放熱部品としての金属ブロックを内蔵する基板が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１６０１４４号（段落［００３２］、図１）

上述した基板においては、放熱だけでなく、発熱と吸熱の切り替えによる温度制御が求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発熱と吸熱の切り替えによる温度制御が可能な放熱基板及びその製造方法の提供を目的とする。

本発明に係る放熱基板は、行列状に並べられている複数の熱電素子と、複数の熱電素子を直列接続する電極板とを有するペルチェ素子モジュールが内蔵されている。そして、熱電素子の間のスペースが封止材で埋められている。

また、本発明に係る放熱基板の製造方法は、行列状に並ぶ複数の熱電素子を有するペルチェ素子モジュールを準備することと、ペルチェ素子モジュールの複数の熱電素子の間に形成されている格子状スペースを封止材で充填して放熱部品を形成することと、キャビティを有するコア基板を準備することと、キャビティに放熱部品を内蔵することと、を含む。

本発明に係る放熱基板の側断面図ペルチェ素子モジュールの斜視図放熱部品の製造工程を示す側断面図放熱基板の製造工程を示す側断面図放熱基板の製造工程を示す側断面図放熱基板の製造工程を示す側断面図放熱基板の製造工程を示す側断面図放熱基板の製造工程を示す側断面図

以下、本発明の一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。本実施形態の放熱基板１０は、図１に示されるように、コア基板１１の表裏の両面に絶縁層２１及び導体層２２を有する構造になっている。

コア基板１１は、絶縁性基材１１Ｋの表側の面であるＦ面１１Ｆと裏側の面であるＢ面１１Ｂとに導体回路層１２，１２を有する構造をなしている。また、絶縁性基材１１Ｋには、キャビティ１６と複数の導電用貫通孔１４が形成されている。なお、以下では、絶縁性基材１１ＫのＦ面１１Ｆ、Ｂ面１１Ｂを、適宜、コア基板１１のＦ面１１Ｆ、Ｂ面１１Ｂと呼ぶことにする。

導電用貫通孔１４は、絶縁性基材１１ＫのＦ面１１Ｆ及びＢ面１１Ｂの両面からそれぞれ穿孔されかつ奥側に向かって徐々に縮径したテーパー孔の小径側端部を互いに連通させた中間括れ形状をなしている。各導電用貫通孔１４内にはめっきが充填されて複数のスルーホール導電導体１５がそれぞれ形成され、それらスルーホール導電導体１５によってＦ面１１Ｆの導体回路層１２とＢ面１１Ｂの導体回路層１２との間が接続されている。

コア基板１１を貫通するキャビティ１６が備えられている。キャビティ１６には放熱部品５０が収容されている。キャビティ１６は、放熱部品５０よりも僅かに大きく形成されている。そして、キャビティ１６の内面と放熱部品５０との間の隙間は樹脂で埋められている。

本実施形態の放熱基板１０に内蔵されている放熱部品５０は、ペルチェ素子モジュール５０Ｚの表裏の両面が絶縁板５６，５６で挟まれている。図２に示されるように、ペルチェ素子モジュール５０Ｚは、複数のＰ型熱電素子５１Ｐと、Ｐ型熱電素子５１Ｐとは異なる金属で構成されるＮ型熱電素子５１Ｎとを有している。Ｐ型熱電素子５１ＰとＮ型熱電素子５１Ｎとは、一定の間隔をあけて交互に行列状に配置されている。なお、Ｐ型熱電素子５１ＰとＮ型熱電素子５１Ｎは、直方体状をなし、略同形同大に構成されている。

隣り合うＰ型熱電素子５１Ｐ及びＮ型熱電素子５１Ｎは電極板５２によって直列接続されている。電極板５２は、２つのＰ型熱電素子５１ＰとＮ型熱電素子５１Ｎとに重ねられている。そして、Ｐ型熱電素子５１ＰとＮ型熱電素子５１ＮのＦ面５０Ｆ側と、Ｐ型熱電素子５１ＰとＮ型熱電素子５１ＮのＳ面５０Ｓ側に交互に配置されている。なお、直列接続されている複数の熱電素子５１の端部となる熱電素子５１と、その熱電素子５１にのみ重ねられる電極板５２とを合わせて電極５３という。

各熱電素子５１Ｐ，５１Ｎの間には格子状のスペース５５が形成されている。格子状のスペース５５は、Ｆ面５０Ｆ側に開放する第１隙間５５Ｕと、Ｓ面５０Ｓ側に開放する第２隙間５５Ｄと、Ｆ面５０Ｆ及びＳ面５０Ｓの両方に開放する第３隙間５５Ｔを有している。

そして、その格子状のスペース５５に、封止材５８が充填されている。また、封止材５８によって、電極板５２同士の間のスペースにも充填され、電極板５２の外面と封止材５８が露出する面とが略面一になるように形成されている。

図１に示されるように、絶縁板５６，５６は、例えば、セラミック板などの熱伝導性及び絶縁性を有する基材で構成される。絶縁板５６，５６のうち、電極５３と重なる部分には、電極５３の一部が露出する開口５６Ａ，５６Ａが形成されている。

なお、Ｐ型熱電素子５１Ｐ及びＮ型熱電素子５１Ｎは、例えば、Ｂｉ、Ｔｅで構成されている。Ｐ型熱電素子５１Ｐ及びＮ型熱電素子５１Ｎの厚みは、０．３〜０．８ｍｍである。電極板５２は、例えば、Ｃｕで構成される。電極板５２の厚みは、１０〜１００μｍである。封止材５８は、例えば、エポキシ系樹脂で構成される。また、絶縁板５６，５６の厚みは、０．１〜０．４ｍｍである。

図１に示されるように、コア基板１１のＦ面１１Ｆ及びＳ面１１Ｓには、絶縁層２１、導体層２２が積層され、導体層２２上には、ソルダーレジスト層２６が積層されている。絶縁層２１には、それぞれ複数のビアホール２１Ｈ，２１Ｈが形成されている。複数のビアホール２１Ｈのうち、放熱部品５０上に形成されるビアホール２１Ｈは、絶縁板５６の開口５６Ａと連通している。さらに、これらビアホール２１Ｈ，２１Ｈ及び開口５６Ａ内にめっきが充填されて複数のビア導体１７，１７が形成されている。そして、ビア導体１７によって、導体回路層１２と導体層２２との間、放熱部品５０電極５３，５３と導体層２２との間が接続されている。

ソルダーレジスト層２６には、複数のバンプ用の開口部２６Ｈが形成され、導体層２２のうち開口部２６Ｈから露出する部分がパッド２９になっている。

放熱基板１０の製造では、図３（Ａ）に示される放熱部品５０が準備される。放熱部品５０は、以下のようにして製造される。

（Ａ１）図３（Ａ）に示されるように、複数の熱電素子５１が電極板５２によって接続されてなるペルチェ素子モジュール５０Ｚが準備される。ペルチェ素子モジュール５０Ｚは、交互に配置されているＰ型熱電素子５１Ｐ及びＮ型熱電素子５１Ｎが電極板５２によって直列接続されてなる。Ｐ型熱電素子５１Ｐ及びＮ型熱電素子５１Ｎとの間にはＦ面５０Ｆ側に開放する第１隙間５５Ｕと、Ｓ面５０Ｓ側に開放する第２隙間５５Ｄと、Ｆ面５０Ｆ及びＳ面５０Ｓの両方に開放する第３隙間５５Ｔを有している。

（Ａ２）図３（Ｂ）に示されるように、ペルチェ素子モジュール５０Ｚの表裏の両面に絶縁板５６，５６が積層される。絶縁板５６，５６には、開口５６Ａが形成されている。絶縁板５６は、開口５６Ａがペルチェ素子モジュール５０Ｚの電極５３と重なる位置に配置される。なお、本実施形態の放熱基板１０では、各絶縁板５６，５６にそれぞれ１つずつ開口５６Ａが形成されているが、一方の絶縁板５６に、複数の開口５６Ａ，５６Ａが形成されている構成でもよい。

（Ａ３）図３（Ｃ）に示されるように、複数の熱電素子５１の間に形成されている格子状のスペース５５に封止材５８が充填される。封止材５８は、ペルチェ素子モジュール５０Ｚの側方から注入される。以上で、放熱部品５０が完成する。

放熱基板１０は以下のようにして製造される。
（１）図４（Ａ）に示されるように、エポキシ樹脂又はＢＴ（ビスマレイミドトリアジン）樹脂とガラスクロスなどの補強材からなる絶縁性基材１１Ｋの表裏の両面に、銅箔１１Ｃがラミネートされている銅張積層板１１Ｚが用意される。

（２）図４（Ｂ）に示されるように、銅張積層板１１Ｚに絶縁性基材１１ＫのＦ面１１Ｆ側から例えばＣＯ２レーザーが照射されて導電用貫通孔１４（図３参照）を形成するためのテーパー孔１４Ａが穿孔される。

（３）図４（Ｃ）に示されるように、銅張積層板１１Ｚのうち前述したＦ面１１Ｆ側のテーパー孔１４Ａの真裏となる位置にＣＯ２レーザーが照射されてテーパー孔１４Ａが穿孔され、それらテーパー孔１４Ａ，１４Ａから導電用貫通孔１４が形成される。

（４）無電解めっき処理が行われ、銅箔１１Ｃ上と導電用貫通孔１４の内面に無電解めっき膜（図示せず）が形成される。

（５）図４（Ｄ）に示されるように、銅箔１１Ｃ上の無電解めっき膜上に、所定パターンのめっきレジスト３３が形成される。

（６）電解めっき処理が行われ、図５（Ａ）に示されるように、電解めっきが導電用貫通孔１４内に充填されてスルーホール導電導体１５が形成されると共に、銅箔１１Ｃ上の無電解めっき膜（図示せず）のうちめっきレジスト３３から露出している部分に電解めっき膜３４が形成される。

（７）めっきレジスト３３が剥離されると共に、めっきレジスト３３の下方の無電解めっき膜（図示せず）及び銅箔１１Ｃが除去され、図５（Ｂ）に示されるように、残された電解めっき膜３４、無電解めっき膜及び銅箔１１Ｃにより、絶縁性基材１１ＫのＦ面１１Ｆ上に導体回路層１２が形成されると共に、絶縁性基材１１ＫのＢ面１１Ｂ上に導体回路層１２が形成される。そして、Ｆ面１１Ｆ側の導体回路層１２とＢ面１１Ｂ側の導体回路層１２とがスルーホール導電導体１５によって接続された状態になる。これにより、コア基板１１が得られる。

（８）図５（Ｃ）に示されるように、コア基板１１に、ルーター又はＣＯ２レーザーによってキャビティ１６が形成される。

（９）図５（Ｄ）に示されるように、キャビティ１６が塞がれるように、ＰＥＴフィルムからなるテープ９０がコア基板１１のＦ面１１Ｆ上に張り付けられる。

（１０）図６（Ａ）に示されるように、放熱部品５０がマウンター（図示せず）によってキャビティ１６に収められる。

（１１）図６（Ｂ）に示されるように、コア基板１１のＢ面１１Ｂ上の導体回路層１２上に、絶縁層２１として、プリプレグが積層されると共に、銅箔３７Ｃが積層されてから、加熱プレスされる。その際、コア基板１１のＢ面１１Ｂの導体回路層１２，１２同士の間がプリプレグにて埋められ、プリプレグから染み出た熱硬化性樹脂がキャビティ１６の内面と放熱部品５０との隙間に充填される。

（１３）図６（Ｃ）に示されるように、テープ９０が除去される。

（１４）図６（Ｄ）に示されるように、コア基板１１のＦ面１１Ｆ上の導体回路層１２上に絶縁層２１としてのプリプレグと銅箔３７Ｃが積層されてから、加熱プレスされる。その際、コア基板１１のＦ面１１Ｆの導体回路層１２，１２同士の間がプリプレグにて埋められ、プリプレグから染み出た熱硬化性樹脂がキャビティ１６の内面と放熱部品５０との隙間に充填される。

なお、絶縁層２１としてプリプレグの代わりに心材を含まず且つ無機フィラーを含有する樹脂フィルムを用いてもよい。その場合は、銅箔を積層することなく、樹脂フィルムの表面に、直接、セミアディティブ法で導体回路層を形成することができる。

（１４）図７（Ａ）に示されるように、上記したプリプレグによって形成されたコア基板１１の表裏の両側の絶縁層２１，２１及び銅箔３７Ｃ，３７Ｃにレーザーが照射されて、複数のビアホール２１Ｈが形成される。複数のビアホール２１Ｈは、導体回路層１２上、及び、放熱部品５０のペルチェ素子モジュール５０Ｚの端末となる電極５３
上に配置される。

（１５）絶縁層２１，２１に複数のビアホール２１Ｈが形成されると、無電解めっき処理が行われ、銅箔３７Ｃ，３７Ｃ上と、複数のビアホール２１Ｈ内とに無電解めっき膜（図示せず）が形成される。

（１６）図７（Ｂ）に示されるように、無電解めっき膜上に、所定パターンのめっきレジスト４０が形成される。

（１７）図７（Ｃ）に示されるように、電解めっき処理が行われ、電解めっきがビアホール２１Ｈ，２１Ｈ内に充填されてビア導体１７，１７が形成され、さらには、絶縁層２１，２１上の無電解めっき膜（図示せず）のうちめっきレジスト４０から露出している部分に電解めっき膜３９，３９が形成される。

（１８）めっきレジスト４０が剥離されると共に、めっきレジスト４０の下方の無電解めっき膜（図示せず）及び銅箔３７Ｃが除去され、図８（Ａ）に示されるように、残された電解めっき膜３９、無電解めっき膜及び銅箔３７Ｃにより、コア基板１１の表裏の各絶縁層２１上に導体層２２が形成される。

（１９）図８（Ｂ）に示されるように、コア基板１１の表裏の各導体層２２上にソルダーレジスト層２６，２６が積層される。

（２０）次いで、ソルダーレジスト層２６，２６の所定箇所にバンプ用の開口部２６Ｈが形成され、各導体層２２のうち開口部から露出した部分がパッド２９になる。以上で、図１に示される放熱基板１０が完成する。

本実施形態の放熱基板１０の構造及び製造方法に関する説明は以上である。次に放熱基板１０の作用効果を説明する。本実施形態の放熱基板１０は、放熱部品５０として、ペルチェ素子モジュール５０Ｚが内蔵されている。これにより、放熱だけでなく、発熱と吸熱の切り替えによる温度制御を行い得る。

また、本実施形態の放熱基板１０は、ペルチェ素子モジュール５０Ｚを構成する複数の熱電素子５１間の格子状のスペース５５が封止材５８で埋められている。これにより、信頼性及び耐応力の向上を図ることが可能となる。

さらに、本実施形態の放熱基板１０は、コア基板１１のキャビティ１６に配置する前に、ペルチェ素子モジュール５０Ｚを構成する複数の熱電素子５１間の格子状のスペース５５を、予め封止材５８で充填しているのでペルチェ素子モジュール５０Ｚの格子状のスペース５５内に容易に封止材５８を充填することが可能となる。

また、本実施形態の放熱基板１０は、ペルチェ素子モジュール５０Ｚの電極５３と、導体層２２とがビア導体１７で接続されている。これにより、電極５３とリード線とを接続する必要がなくなるため、従来、電極５３とリード線とを接続するために必要だったスペースにも熱電素子５１を配置することが可能となり、高密度で熱電素子５１を配置することが可能となる。

［他の実施形態］
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）上記実施形態では、ペルチェ素子モジュール５０Ｚの表裏の両面を絶縁板５６，５６で覆う構成であったが、絶縁板５６，５６を有さない構成であってもよい。この場合、放熱部品５０の電極板５２、５２上に、絶縁層２１が積層される構成となる。また、封止材５８は、格子状のスペース５５のうち、Ｆ面５０Ｆ側に開放する第１隙間５５Ｕには、Ｆ面５０Ｆ側から充填される。格子状のスペース５５のうち、Ｓ面５０Ｓ側に開放する第２隙間５５Ｓには、Ｓ面５０Ｓ側から封止材５８が充填される。格子状のスペース５５のうち、Ｆ面５０Ｆ及びＳ面５０Ｓ両方に開放する第３隙間５５Ｔには、Ｆ面５０Ｆ及びＳ面５０Ｓの両側から封止材５８が充填される。

（２）上記実施形態では、ペルチェ素子モジュール５０Ｚの電極５３にビア導体１７を形成して導体層２２と接続する構成であったが、電極５３と接続されるリード線を有する構成であってもよい。

（３）上記実施形態では、放熱部品５０の表裏の両面で電極板５２が露出する構成であったが、電極板５２が封止材５８によって覆われる構成であってもよい。

（４）上記実施形態の放熱部品５０は、その平面形状が長方形であったが、他の多角形状であってもよいし、円形、楕円形又は長円形であってもよい。

（５）上記実施形態では、コア基板１１のキャビティ１６が放熱部品５０よりも大きく形成され、キャビティ１６の内面と放熱部品５０との間の隙間を樹脂で埋める構成であったが、キャビティ１６を放熱部品５０の外形と略同形同大で形成し、放熱部品５０を嵌合する構成であってもよい。

（６）上記実施形態では、コア基板１１の厚みと、放熱部品５０の厚みが略同一であったが異なっていてもよい。

（７）上記実施形態では、収容されている放熱部品５０が１つであったが複数あってもよい。

（８）上記実施形態では、ペルチェ素子モジュール５０Ｚの表裏の両面に絶縁板５６，５６を積層した後に封止材５８を充填していたが、封止材５８を充填した後に、ペルチェ素子モジュール５０Ｚの表裏の両面に絶縁板５６，５６を積層する構成であってもよい。

１０放熱基板
１１コア基板
１２導体回路層
１６キャビティ
１７ビア導体
２１絶縁層
２２導体層
２６ソルダーレジスト層
５０放熱部品
５０Ｚペルチェ素子モジュール
５１熱電素子
５２電極板
５３電極
５５スペース
５８封止材

Claims

行列状に並べられている複数の熱電素子と、前記複数の熱電素子を直列接続する電極板とを有するペルチェ素子モジュールが内蔵されている放熱基板であって、
前記熱電素子の間のスペースが封止材で埋められている。
請求項１に記載の放熱基板であって、
前記封止材の外面は電極板の外面と略面一になっている。
請求項１又は２に記載の放熱基板であって、
前記ペルチェ素子モジュールの表裏の両面を絶縁板に挟まれている。
請求項３に記載の放熱基板であって、
前記絶縁板はセラミック板である。
請求項３又は４に記載の放熱基板であって、
前記絶縁板のうち複数の前記熱電素子の端部となる前記熱電素子と重なる部分には、前記絶縁板の厚み方向を貫通する開口が設けられている。
請求項１乃至５の何れか１の請求項に記載の放熱基板であって、
キャビティを有するコア基板と、前記コア基板の表裏の両面に積層される絶縁層及び導体層を有し、
前記ペルチェ素子モジュールは前記キャビティに収容されている。
請求項６に記載の放熱基板であって、
複数の前記熱電素子のうち端部となる前記熱電素子と前記導体層とがビア導体で接続されている。
請求項６又は７に記載の放熱基板であって、
前記キャビティは、前記ペルチェ素子モジュールよりも大きく形成され、
前記キャビティの内面と前記ペルチェ素子モジュールとの間の隙間には、前記絶縁層を構成する樹脂が充填されている。
請求項６乃至８の何れか１の請求項に記載の放熱基板であって、
前記封止材は、前記絶縁層を構成する樹脂とは異なる組成の樹脂である。
請求項１乃至９の何れか１の請求項に記載の放熱基板であって、
前記ペルチェ素子モジュールは、直方体である。
行列状に並ぶ複数の熱電素子を有するペルチェ素子モジュールを準備することと、
前記ペルチェ素子モジュールの前記複数の熱電素子の間に形成されているスペースを封止材で充填して放熱部品を形成することと、
キャビティを有するコア基板を準備することと、
前記キャビティに前記放熱部品を内蔵することと、を含む放熱基板の製造方法。
請求項１１に記載の放熱基板の製造方法であって
前記ペルチェ素子モジュールの前記複数の熱電素子の間に形成されているスペースを封止材で充填する前に、
前記ペルチェ素子モジュールの表裏の両面に絶縁板を積層することを含む。
請求項１２に記載の放熱基板の製造方法であって、
前記ペルチェ素子モジュールの表裏の両面に絶縁板を積層する前に、
前記絶縁板のうち、直列接続されている複数の前記熱電素子のうち端部となる前記熱電素子と重なる部分に、前記絶縁板の厚み方向を貫通する開口が設けることを含む。
請求項１２又は１３に記載の放熱基板の製造方法であって、
前記封止材は、前記ペルチェ素子モジュールの側方から注入する。
請求項１１乃至１４の何れか１の請求項に記載の放熱基板の製造方法であって、
前記コア基板の表裏の両面に積層される絶縁層及び導体層を形成し、
直列接続されている複数の前記熱電素子のうち端部となる前記熱電素子と前記導体層とを接続するビア導体を形成する。