JP2020047762A - 積層基板 - Google Patents

Abstract

【課題】素子を絶縁基材内に配置する場合であっても素子の放熱を促すことができる積層基板を提供する。【解決手段】実施形態の積層基板１は、絶縁基材となる樹脂層２と、樹脂層２間に配置されている素子３と、素子３に接触して設けられ、少なくとも一端が積層基材の端部に露出している放熱層４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁基材内に素子を配置した積層基板に関する。

従来、素子の高密度実装化と基板の小型化とを目的として、絶縁基材内に素子を配置した積層基板が知られている（例えば、特許文献１参照）

特開２００３−８６９４９号公報

しかしながら、絶縁基材内に配置されている素子は、動作時に発熱することが想定され、その熱が絶縁基材内にこもってしまうと、素子や電気回路の動作不良を招くおそれがある。この場合、素子の近傍の積層基板の表面に例えば放熱フィン等を設けることも考えられるものの、素子は絶縁基材に覆われていることから、素子から放熱フィンまで熱を十分に伝達することができず、放熱不良となるおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、素子を絶縁基材内に配置する場合であっても素子の放熱を促すことができる積層基板を提供することにある。

請求項１記載の発明では、積層基板は、絶縁基材内に素子が配置されている積層基板であって、絶縁基材となる複数の樹脂層と、樹脂層間に配置されている素子と、素子に接触して設けられ、少なくとも１つの端部が積層基材の側面に露出している金属製の放熱層と、を備える。

絶縁基材内に配置されている素子が動作時に発熱すると、外気との接触がないこと、また、絶縁基材によって熱の伝達が制限されることから、その熱が絶縁基材内にこもるおそれがある。そして、熱が絶縁基材内にこもると、素子やその素子を利用する電気回路の動作不良を招くおそれがある。この場合、例えば積層基板の表面に放熱部材を設け、絶縁基材を貫通する伝熱部材を配置することにより、外部への放熱を促すことが可能になると考えられるものの、伝熱部材を大きくすることが難しく、また、高密度実装と小型化とを図る上では、積層基板の表面に設置スペースが必要となる構成は好ましくない。

そこで、素子に接触しているとともに、少なくとも一つの端部が積層基材の側面に露出している放熱層を設けている。これにより、放熱層に移動した素子の熱は、放熱層の端部が積層基材の側面に露出していることから、放熱層が外気によって冷却される際に積層基板の外部に放出され、熱の放出に大きく寄与する。また、放熱層を金属製としていることから、絶縁基材に比べて素早く素子の熱が放熱層に伝達され、積層基板内に熱がこもることが抑制される。したがって、素子を絶縁基材内に配置する場合であっても、素子の放熱を促すことができる。

請求項２記載の発明では、放熱層は、積層基板の側面に露出している端部が、積層基板の積層方向に対して傾斜した傾斜面に形成されている。これにより、放熱層の厚みが同じであっても、外部に露出している面積を増やすことができ、放熱効率を向上させることができる。

請求項３記載の発明では、放熱層は、積層基板の側面に露出している端部が積層方向に沿った垂直面で形成されているとともに、露出している端部が当該放熱層の下方に配置されている樹脂層の端部よりも内側に位置している。これにより、放熱層と下方の樹脂層の上面との間に段差が形成され、その段差に防錆や防腐用のコーティング剤のフィレットが形成されるようになる。これにより、段差のない場合に比べてコーティング剤の厚みが増加し、防錆性や防腐性を向上させることができる。

請求項４記載の発明では、放熱層は、露出している端部が当該放熱層の上方に配置されている樹脂層の端部よりも外側に位置している。これにより、放熱層の側面だけでなく、上方に配置されている樹脂層よりも外側に位置する面も放熱に大きく寄与するようになり、放熱性をさらに向上させることができる。

実施形態による積層基板の構成例を模式的に示す図 積層基板の積層態様の一例を模式的に示す図 積層基板の他の構成例を模式的に示す図その１ 積層基板の他の構成例を模式的に示す図その２ 積層基板の他の構成例を模式的に示す図その３ 放熱層の他の構成例を模式的に示す図 積層基板の他の構成例を模式的に示す図その４ 放熱層の端部の構成例を模式的に示す図その１ 放熱層の端部の構成例を模式的に示す図その２ 積層基板の他の構成例を模式的に示す図その５ 積層基板に傾斜面を形成する手法の一例を模式的に示す図

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の積層基板１は、絶縁基材である複数の樹脂層２と、樹脂層２間に配置されている素子３と、素子３に接触して設けられている金属製の放熱層４とを備えている。この積層基板１は、側面が積層方向に沿った垂直面となっており、全体として概ね直方体状に形成されている。なお、樹脂層２や放熱層４の数、素子３の数や配置は一例であり、例えば表面や裏面に回路部品を配置することができる等、図１に示したものに限定はされない。

樹脂層２は、例えばポリエーテルエーテルケトン樹脂やポリエーテルイミド樹脂を含む熱可塑性樹脂で形成されており、加熱および加圧することによって変形する。この樹脂層２の表面の１面または両面には、エッチングによって図示しない回路パターンや電極等が形成されている。また、少なくとも１つの樹脂層２は、表面の一部に窪んで形成されている収容部２ａが設けられている。ただし、樹脂層２は、収容部２ａが形成されておらず、回路パターンのみが形成されているものであってもよいし、収容部２ａは、樹脂層２を貫通する形状とすることもできる。

この収容部２ａには、例えば回路を構成する素子３や、積層された状態における上層側と下層側と電気的に接続するビア５（図５参照）等が配置される。なお、図１では、説明の簡略化のために、ビア５の図示は省略し、素子３を収容する収容部２ａのみを示している。この素子３は、例えば抵抗やコンデンサ、あるいは半導体装置等を採用することができる。そのため、これらの素子３は、通電時に発熱することがある。

放熱層４は、例えば銅やアルミ等の金属で形成されており、本実施形態では、収容部２ａに収容されている素子３の上面全体に接触するとともに、少なくとも１つの端部が積層基板１の端部に露出している。本実施形態では、放熱層４は、直方体状に形成される積層基板１の４辺の側面において外部に露出している。

放熱層４は、素子３と直接的に接触していることが望ましいものの、熱を伝達することができれば、若干のスペースが存在している構成や極薄い樹脂が介在していてもよい。すなわち、本発明において素子３と放熱層４とが接触している状態とは、熱伝導が可能な距離に素子３と放熱層４とが配置されていることを意味している。

この放熱層４は、本実施形態の場合、その表面が、素子３と接触する範囲を除いて樹脂層２と同じ樹脂材料でコーティングされている。これは、上記したように樹脂層２には回路パターンが設けられているため、回路パターン間や上下方向の回路パターン間をショートさせないようにするためである。

このような構成の積層基板１は、図２にモデル化して示すように、素子３を収容している１つ以上ここでは２つの樹脂層２と、放熱が必要となる素子３に対応して設けられている１つ以上ここでは２つの放熱層４とを積層し、積層した状態で全体を加熱および加圧することにより樹脂層２を変形させ、素子３の隙間や樹脂層２間を埋めて絶縁基材とする一括積層プロセス手法を採用した製造方法により製造されている。製造された基板は、腐食例えば硫黄による腐食を避けるため、その表面や放熱層４が露出している側面にフッ素によるコンフォーマルコートが施される。

次に、上記した構成の作用および効果について説明する。
絶縁基材内に配置されている素子３が動作時に発熱すると、外気との接触がないこと、また、絶縁基材によって熱の伝達が制限されることから、その熱が絶縁基材内にこもってしまう。そして、熱が絶縁基材内にこもってしまうと、素子３やその素子３を利用する電気回路の動作不良を招くおそれがある。また、積層基板１の表面に放熱部材を設け、積層基板１を貫通する伝熱部材を配置することで放熱を促すことが可能になると考えられるが、伝熱部材を大きくすることが難しく、また、高密度実装と小型化とを図る上では、積層基板１の表面に設置スペースが必要となる放熱部材を設けることも好ましくない。

そこで、本実施形態では、素子３に接触して設けられ、少なくとも一端が積層基材の端部に露出している放熱層４を設けている。これにより、素子３で発生した熱を効率よく放熱層４に受け渡すことが可能となるとともに、放熱層４の一部が外部に露出していることから、外気によって放熱層４からの放熱が促される。その結果、素子３の熱を効率よく外部に放出することができる。したがって、素子３を絶縁基材内に配置する場合であっても、素子３の放熱を促すことができる。

この場合、素子３からの熱が絶縁基材内にこもることが抑制できるため、素子３やその素子３を利用する電気回路の動作不良を招くおそれを低減することができる。また、積層基板１に放熱フィン等を設ける場合とは異なり、実装面のスペースを削減することもないため、高密度実装化や小型化を損なうこともない。

また、実施形態のように素子３の上面全体に放熱層４を接触させることにより、効率的かつ迅速に素子３の熱を放熱層４に移動させることができ、積層基板１内に熱がこもるおそれを低減することができる。

また、実施形態のように積層基板１の４辺において露出させた場合、放熱に利用可能な面積は、積層基板１の４辺の長さ×放熱層４の厚みとなり、放熱層４が比較的薄い場合であっても、十分な放熱面積を確保できると期待できる。これにより、積層基板１の厚みを過度に大きくすることなく、また、過度に積層基板の重量を増加させることが無く、さらには、積層基板１の表面に放熱用のスペースを確保することを必要とせずに素子３からの放熱を促進することができるため、高密度実装化や小型化を損なうことがない。

ただし、必要な放熱面積が確保できるのであれば、積層基板１の１辺、２辺あるいは３辺等において露出する構成とすることもできる。この場合、積層基板１の平面視において放熱層４が占める面積を小さくすることも可能となり、放熱層４を設けることによって回路パターンの配置や上下方向の接続位置が制限されることを抑制できる。

また、上記した製造方法により、素子３を絶縁基材内に配置する場合であっても素子３の放熱を促すことができる積層基板１を製造することができる。
さて、積層基板１に内蔵される素子３は、必ずしも同じ形状ではなく、積層方向への高さが異なる場合が想定される。その場合、図３に示すように、各素子３の上端が一致するように収容部２ａの深さを予め調整することにより、高さが異なる素子３のそれぞれが１つの放熱層４と接触する構成とすることができる。これにより、高さが異なる素子３であっても１つの放熱層４で放熱させることが可能となり、積層基板１の構成を簡素化することができる。

また、素子３の積層方向への高さが異なる場合、図４に示すように、複数の放熱層４を設けることもできる。この場合、高さの違いを埋めるスペーサや回路パターンとして機能する樹脂層２を追加することにより、積層した際の厚みがずれてしまうことを防止することができる。

また、放熱層４は、必ずしも積層基板１の面積全体を覆う一枚の板状にする必要はなく、例えば図５に示すように、上層側と下層側とを電気的に接続するためのビア５を通す場合には、ビア５の位置に貫通孔や切り欠きを形成し、放熱層４がビア５に干渉しないようにする構成とすることができる。これにより、高密度実装化した際に想定される上下方向への接続を容易に行うことができる。

この場合、図６に示すように、放熱層４を、積層基板１の外縁に沿った枠状であって、枠の内側に、素子３への接触を可能とするタブ４ａを設ける構成とすることができる。例えばいわゆるプリント基板に設けられているようなベタアースは、電位を安定させるために広い面積が必要になる。これに対して、放熱層４の場合、平面視における面積よりも、絶縁基材から露出している部分が多いほど、放熱を促すことができると考えられる。

また、一般的に、回路パターンは積層基板１の縁よりも内側に配線スペースが設けられているため、積層基板１の縁は、回路パターンやビア５が設けられていないと考えられる。また、積層基板１の表面あるいは裏面においては、縁にコネクタ等が設けられることも想定されるが、内層側つまりは積層基板１の側面にそれらの部材が設けられることは少ないと想定される。

そのため、積層基板１の外縁付近は、他の部材や回路を考慮すること無く利用可能なスペース、換言すると、他の部材や回路に影響を与えるおそれが少ないスペースであると考えられる。そのため、放熱層４を積層基板１の外縁付近に沿った枠状とし、放熱が必要となる素子３に接触するタブ４ａを設けることにより、枠の内側を回路パターンやビア５の配置位置として利用することが可能となり、配線や接続に大きな影響を与えることなく、また、広い露出面積を確保した状態で放熱層４を設けることができる。

さて、ここまでは矩形つまりは直方体状の積層基板１について説明したが、積層基板１は、図７に示すように、積層方向の上段側が徐々に小さくなる階段状に形成することができる。この場合、図７の領域（Ｒ１）に示すように、放熱層４の端部とその上層に配置される樹脂層２の端部とを面一になる構成とすることもできるし、領域（Ｒ２）に示すように、放熱層４の端部よりもその上層に配置される樹脂層２の端部が内側に位置する構成とすることもできる。

このように階段状にすることにより、積層基板１の耐腐食性を向上させることができる。すなわち、領域（Ｒ１）を拡大した図８、および領域（Ｒ２）を拡大した図９に示すように、例えばフッ素によるコンフォーマルコートが施した場合、放熱層４の端部が下方に配置されている樹脂層２の端部よりも内側に位置していることから、段差の部分にコーティング剤のフィレット６が形成され、コーティング厚が厚くなり、耐腐食性が向上する。また、例えば領域（Ｒ２）の場合、放熱層４の端部は、上方に配置されている樹脂層２の端部よりも外側に位置していることから、その上面も放熱に寄与するようになり、素子３の放熱をより一層促すことができる。

また、積層基板１は、図１０に示すように、側面視に積層方向の上段側が徐々に小さくなる台形状に形成することもできる。この場合、放熱層４の端部は、積層方向に対して斜めに傾斜した傾斜面となっている。この場合、積層基板１から露出している面積が上記した図１に示した垂直面の場合に比べて大きくなることから、放熱に寄与する放熱面積が増加し、素子３の発熱をより促すことができる。

この場合、放熱層４や樹脂層２を予め台形状に形成したものを積層することもできるが、図１１に示すように、直方体状の放熱層４や樹脂層２を積層した後、縁を所定の角度で仮想線（Ｌｃ)に沿って４辺を切断することにより、最終的に台形状の積層基板１を形成することもできる。この場合、樹脂層２が変形した際に端部が余剰な樹脂で覆われたとしても、縁を切断することにより、放熱層４を容易に外部に露出する状態とすることができる。

実施形態では収容部２ａが形成されている樹脂層２に回路パターンを設ける構成を例示したが、回路パターンは、相対的に薄い別の樹脂層２に形成し、収容部２ａが形成されている樹脂層２に積層する構成とすることができる。これにより、仕様によって変化することが想定される素子３については専用で樹脂層２を形成する必要があるが、回路パターンについては共通する樹脂層２を用いて配線することができ、生産性の向上を期待することができる。

実施形態では一括積層プロセス手法を採用した製造方法を例示したが、接着剤等を塗布して積層および接着する手法による製造方法にも適用することができる。

図面中、１は積層基板、２は樹脂層、３は素子、４は放熱層を示す。

Claims (4)

1. 絶縁基材内に素子が配置されている積層基板であって、
   前記絶縁基材となる樹脂層と、
   前記樹脂層間に配置されている素子と、
   前記素子に接触して設けられているとともに、少なくとも１つの端部が前記積層基材の側面に露出している金属製の放熱層と、
   を備えることを特徴とする積層基板。
2. 前記放熱層は、前記積層基板の側面に露出している端部が、当該積層基板の積層方向に対して傾斜した傾斜面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の積層基板。
3. 前記放熱層は、前記積層基板の側面に露出している端部が積層方向に沿った垂直面で形成されているとともに、露出している端部が当該放熱層の下方に配置されている前記樹脂層の端部よりも内側に位置していることを特徴とする請求項１または２記載の積層基板。
4. 前記放熱層は、露出している端部が当該放熱層の上方に配置されている前記樹脂層の端部よりも外側に位置していることを特徴とする請求項３記載の積層基板。

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