JP3953122B2 - 回路カード及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して電気回路カード及びその製法に関係する。
【０００２】
【従来の技術】
回路カードは、めったに印刷によって製作されなくなった今でも「印刷回路基板」と呼ばれる。カードが製作される方法に関係なく、カードは動作電圧、絶縁破壊電圧、及び動作中の熱発散能力に関して、厳格な安全要件に合致しなければならない。
【０００３】
これらの安全要件が最低２５００ボルトの電圧で動作する能力を求めるときは、最小の絶縁体厚さを規定する必要があり、このことはしばしば熱発散上の問題を引き起こす。勿論、強制空冷又は強制水冷も可能ではあるが、これらは他の問題を引き起こす。
【０００４】
Ａｄａｃｈｉ外に発行された米国特許第４，９９３，１４８号は、回路基板を形成する１方法を記述しており、この方法は、予め位置決めされた絶縁体層上に導体層をメッキすることを含み、部品を搭載するために導体の一部を絶縁体層から露出させる。この方法では、銅フォイルを貼り付け、銅フォイル上に導体及びバイアのパターンを画定し、次に導体及びバイアのパターンを用いて絶縁体を画定する工程は用いられない。
【０００５】
Ｉｌａｒｄｉ外に発行された米国特許第４，９９９，７４０号は、金属基板上に光学的に像を描ける絶縁物質層を形成し、この絶縁物上に像を描き、金属基板上に部品を搭載するための窪みを作成することにより製作される、回路基板について記述している。この基板は複数の配線層をもたず、更に高電流容量の電圧面をもたず、又絶縁物除去マスクとして積層された金属フォイルを使用することもない。
【０００６】
Ａｄａｃｈｉ外に発行された米国特許第５，０８１，５６２号は、金属プレートをもつ回路基板について記述している。感光性のある絶縁体層を金属プレート上に形成し、金属プレートの一部を露出させて部品実装領域としている。この回路基板では、導体及びバイア用に銅のメッキが必要である。この基板には、個々の層間のはんだ付けされた相互接続はない。
【０００７】
これらの従来技術の回路基板の構造配置は、一見本発明の回路カードと類似性があるように見えるが、これらの基板は本質的な面で異なっている。これらの相異は、本発明の以降の詳細記述を読めば明解に理解されよう。また、こうした相異はカードの製造工程、及び完成された回路カードの使用において重要な利点を包含している。
【０００８】
例えば、本発明では非常にコスト効率の良い製造工程が採用できる、即ち導体用の銅メッキ作業の除去、及びすべての内部接続用として通常必要とされる銅メッキ作業の除去である。この利点は厚い銅導体を必要とし、より長い製造時間を必要とする電力用の回路カードの製造において更に重要である。
【０００９】
本発明の回路カード配置において重要となる更に別の利点は、通常必要とされる銅メッキ作業の除去であり、この結果、より高密度な配線を可能にする。従来技術に対して本発明で可能になる更に別の利点は、１次電圧面と２次電圧面との分離であり、この結果、電気性能が改善され、コストも低下する。
【００１０】
本発明の更にもう１つの利点は、高い絶縁破壊耐力をもつ材料の薄い被覆によって得られ、この薄い絶縁材料は又最小の熱抵抗をもつ。この絶縁物中に部品搭載用の開口部を設けると、熱発散効率の良い回路カード構造ができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主要な目的は、従来のカード配置に固有の欠点を克服する、新しい改善された回路カードを提供することである。
本発明のもう１つの目的は、本発明により回路カードの新しい改善された製造方法を提供することである。
【００１２】
【問題を解決するための手段】
本発明の原理に従って構成され、配置された回路カードについて簡潔に述べると、このカードは金属材料によって形成されるキャリア又は基板を含み、この基板の少なくとも１つの表面には、所定の構成の電気回路を支持するために０．００２インチ（約０．０５ｍｍ）以下の厚さの絶縁材料層が形成される。回路及び絶縁体の選択された区域には、回路配置及び動作要件によって必要とされる部品を搭載するために、除去された部分がある。独特な金属ランド構成は、絶縁体除去工程中に現像用のマスクとして機能し、自己整合した相互接続用のバイアを与える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１において、数字１０は本発明に従った独立した電圧変換カードの全体を示す。カード１０は金属キャリア１１が特徴であり、このキャリアの上に、光学的に像形成可能な、即ち感光性を有するエポキシ樹脂であるのが好ましい第１の薄い、乾燥した薄膜の絶縁体層１２が形成され、この層は乾燥又は硬化される。金属キャリアは、絶縁体層の付着性をよくするために、粗面化などの表面処理されるのが好ましい。
【００１４】
第１の乾燥した薄膜の絶縁体層１２に対し、許容できる代替物として液状の絶縁物があることが判明しており、この液状絶縁物は金属キャリア１１上にスクリーン印刷で塗付され、乾燥される。第１の絶縁体層１２の厚みは、２５００ボルトの要求絶縁耐力を備えるとき、約０．００２インチである。
【００１５】
この絶縁体の厚みでは、熱伝導特性が０．２Ｗ／ｍ゜Ｋ程度に低い材料の使用も可能であるが、この材料でも３゜Ｃ／Ｗ以下の最小の応用時熱抵抗をもつ。以降の記述で明確にされるが、絶縁物質を選択的に除去することにより、０．５゜Ｃ／Ｗ、あるいはそれ以下に応用時熱抵抗を下げることができる。
【００１６】
第１の絶縁体層１２の上に、積層プレス機により適当な圧力及び高温を加えて約５７ｇ（２オンス）の第１の銅フォイル１３が積層される。第１の銅フォイル１３が絶縁物質に密着し、絶縁物質が硬化されるのはこの積層をする間である。
【００１７】
この第１の銅フォイル１３は、従来のサブトラクティブなエッチング工程により、所要のパターンの配線を形成するようにパターニングされるものとしており、例えば図１の信号配線１３ａ及び１３ｂ、ならびに１次電圧及び２次電圧として示される、１次電圧源及び２次電圧源を形成する。
【００１８】
第１の銅フォイル１３がエッチングされ、所要の回路が形成された後、第１の銅フォイル１３の上に、光学的に像形成可能な絶縁物質から成る第２の絶縁体層１４が被覆される。第２の絶縁体層１４は感光性エポキシ樹脂であるのが好ましい。第２の絶縁体層１４を付着するためには、真空積層装置（ｖａｃｕｕｍ ｌａｍｉｎａｔｏｒ）が好ましいことが判明しており、これは製作コストを管理できる利点があるからである。
【００１９】
本発明に従って形成される第２の絶縁体層１４は、実際には乾燥され、次に露光されて現像され、そして硬化されて第１の銅フォイル１３中に形成された配線間に絶縁物質を残すパターンとなる。本発明の製法に従って、第２の絶縁体層１４を形成すると、第１の銅フォイル層１３中の回路の上面から絶縁物質が除去されることになり、したがって平坦な平面が形成され、以降説明するように、その表面上に部品を搭載したり、追加の配線を形成して接続したりできる。
【００２０】
第２の絶縁体層１４を形成する変形工程は、銅フォイル層１３中の配線間に、直接に液状の絶縁物質をスクリーン印刷法によってパターン化することである。パターンをスクリーン印刷する工程は、フィルム絶縁物質が用いられたときに必要とされる露光及び現像の工程を除去する。
【００２１】
感光性樹脂であるのが好ましい第３の絶縁体層２９が、平坦化された構造物の上に形成され、その後に第２の銅フォイル層１９の積層が行われる。
【００２２】
第３の絶縁体層２９の１部は、例えば１５で示したように除去され、第１の銅フォイル１３中に形成された２次電圧回路に、部品１６を直接に接続できるようにする。ここで金属線１７を使い部品１６と、第２の銅フォイル１９中に形成されている配線１８とを接続することができる。第２の銅フォイル１９は、第３の絶縁体層２９の上に積層されており、これは第１の絶縁体層１２の上に第１の銅フォイル１３が形成された方法と同様である。
【００２３】
参照番号２０ａ及び２０ｂで示されている配線は、同じ回路の部分であってもよく、又はそれらは全く違った別の回路であってもよい。図１では異なった部品２１及び２２が、配線２０ａ及び２０ｂに接続できることを示している。
【００２４】
本発明に従った構造配置では、電気的接続２３、２４、２５、２６、２７、及び２８がはんだリフローで行えることが重要である。したがって面倒な接続を本質的に容易なものにすることにより、コストの大幅な削減及び材料の削減を可能にする。
【００２５】
図２には全体を参照番号３０で示した異なった配置の回路カードが図示されている。このカード３０と図１に示されたカード１０との間の違いの１つは、このカードにはエッチングされた銅フォイル層上に形成される第２の絶縁体層が存在しないことである。それはこのカード３０上では、電圧供給配線が、信号配線と同じ銅フォイル層中に存在するからである。
【００２６】
本発明のこの特徴を説明すると、回路カード３０は、銅のような適切な金属で形成されたキャリア３１をもち、接地又は共通電位として機能し、同時に放熱板としても機能する。キャリア３１の上面に光学的に像形成可能な絶縁物質３２が付着され、乾燥される。
【００２７】
絶縁物質３２の上に必要な厚さの銅フォイル３７が、積層プレス機で張り付けられ、この際銅フォイルを絶縁材料に接着するのに丁度必要になる圧力が加えられる。この積層工程中、絶縁物質を硬化させないように、温度は十分に低く保たれる。
【００２８】
図１のカード１０で行われたように、従来のサブトラクティブ・エッチング工程を採用し、図２のキャリア３１上の銅フォイル３７中に、所要の配線パターンが形成される。絶縁物質３２は、このカードが作られる目的用の特定の回路に合う所要のパターンに形作られる。このパターンには電気的相互接続用のバイア３３、放熱バイア（示されていない）、参照番号３４で示されているような、はんだ３６で部品３５を取り付けるための部品搭載用の開口部を含めることができる。
【００２９】
回路カード３０は、他のいずれの回路カードと同様に、絶縁物質３２の露光された又は被覆されない区域を、溶剤を使って選択的に除去するように処理される。ここでカード３０は、残った絶縁物質３２を硬化させるために、所定の温度に十分な時間さらされる。
【００３０】
図３は本発明に従った銅のランド３８のドーナツ型の構造を示す。この構造は、配線上のいくつかの点又は部品と金属キャリア３１との間の相互接続のために、はんだリフローの採用を可能にする。配線３９は、任意の所要の部品、又は回路点を金属キャリア３１と接続させ、上記の利点を実現させることができる。
【００３１】
銅のランド３８にとって、ドーナツ型の構造の第１の利点は、絶縁物を除去する工程中にこのランドを現像マスクとして使用し、ランドの開孔を通して露光現像し、自己整合したバイアを形成できることである。この手段により銅のランド３８は、自己整合による相互接続用のバイア構造が形成される環境を用意する。
【００３２】
回路カード１０及び３０の双方とも、電圧破壊に対して１ミル当り１２５０ボルト以上というような良好な耐力をもつ、光学的に像形成可能な絶縁物質を採用しており、その結果、良好な熱放散性をもつ薄い層の形状に絶縁物を形成できる。
【００３３】
ここに記述されている製造工程において重要な特徴は、カードに穴をあけたり銅メッキをする必要なく、すべての相互接続が行えることである。言い換えれば、本発明の製造方法に依れば、すべての相互接続は、製造工程の一部としてのはんだリフローによって行われる。
【００３４】
また、特別な状況で必要になるときは、銅フォイルを使用する代りに、金属キャリアの上に直接に適切な絶縁物質層を付着し、必要なサブトラクティブなエッチング工程を採用することもできる。この状況では、この絶縁体層は光学的にパターン形成され、硬化され、表面を粗くし銅でメッキされる。
【００３５】
本発明に従って製作された回路カードは、電圧間の分離に効果的であり、外部の放熱板を不要にする電力（熱）放散能力をもつ。時間を要し、コストを増加させる銅メッキ、穴あけ、又は他の機械作業の必要なしに、高密度の層間の相互接続及び配線点から他点への相互接続が行われる。
【００３６】
薄い絶縁体層をもつキャリアは、熱を発生させる部品に対して優れた熱放散特性を提供する。又選択的な除去特性をもつ絶縁材料の採用により、このような発熱部品を、放熱板として有効な金属キャリアに直接に取り付けるか、又は少くとも近付けて置くことができる。
【００３７】
本発明に従った回路カードの高密度の配置は、このカードが強力な放熱を必要とする電圧昇圧カードであるか、独立した電圧変換カードであるか、又は他の機能のカードであるかに関係なく、はんだによる相互接続を可能にするドーナツ型ランドにより大幅に促進され、製造コストを更に低下させる。ドーナツ型のランドは、勿論必要に応じて事前に形成し、熱又ははんだのいずれかによって付着させることができ、配線３９は必要に応じてドーナツ型ランドに接続させて、一緒に事前に成形された配線とすることもできる。
【００３８】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００３９】
（１） 高密度の印刷回路カードであって、
（ａ） 金属材料のキャリアと、
（ｂ） 前記キャリアの一表面上に直接に、少くとも２５００ボルトの絶縁耐電圧を与える厚さで形成され、電気的相互接続、熱放散、又は前記キャリア手段上に部品を搭載するための開口部を少くとも１つ有する絶縁手段と、
を含む回路カード。
（２） 前記キャリア手段が、高い熱放散特性を提供するために銅で形成される、（１）に記載の回路カード。
（３） 多層の電子的回路パッケージであって、
（ａ） 高い熱伝導特性を有する所定の金属で形成された基板と、
（ｂ） 所定の大きさの電気的絶縁特性を提供するために、前記基板の少くとも１つの表面上に１つの層として形成された硬化可能な絶縁物質層と、
（ｃ） 前記絶縁物質層上に形成された、所定の回路パターンを有する銅導体層と、
（ｄ） リフローされたハンダを用いて形成された層間電気接続と、
を含む多層回路パッケージ。
（４） 前記絶縁物質が、電気的相互接続及び素子搭載用の開口部を提供するために選択的に溶解可能である、（３）に記載の多層回路パッケージ。
（５） 前記絶縁物質が０．００２インチ以下の厚みであり、前記パッケージが動作中においては、絶縁材料が薄いときの方が絶縁物質の厚いときよりも温度が低い、（３）に記載の多層回路パッケージ。
（６） 前記絶縁物質が少くとも１ミル当り１２５０ボルトの絶縁破壊耐力を有する、（３）に記載の多層回路パッケージ。
（７） 金属基板及び放熱板を有し、絶縁体及び導体の交互の層を更に含み、少くとも１つの信号導体層を有する、（３）に記載の多層回路パッケージ。
（８） 開孔を有し、この開孔を通して前記絶縁物質層を溶解させてバイアを形成するためのドーナツ型に形成されたランドを含む、（３）に記載の多層回路パッケージ。
（９） 配線密度を増加させるために、前記バイア開孔部が更に表面実装部品用のランド中に設けられている、（８）に記載の多層回路パッケージ。
（１０） 多層回路パッケージを製造する方法であって、
（ａ） 金属基板をキャリアとして提供するステップと、
（ｂ） 前記金属基板の前記処理された表面に所定の液状又は乾燥した絶縁物質層を設けるステップと、
（ｃ） 制御された温度及び圧力の下で、前記絶縁物質層の上に銅フォイル材を積層するステップと、
（ｄ） 前記積層された銅フォイル材中に、導体及びバイアのパターンを画定するステップと、
（ｅ） 開孔部を形成するために、所定のバイアによって画定された区域内の前記絶縁物質層を溶解するステップと、
（ｆ） 前記金属基板上の前記絶縁物質層を硬化させるステップと、
（ｇ） 部品搭載ランド及びバイアにはんだを付着するステップと、
（ｈ） 前記部品搭載ランド上の前記ハンダ上に部品を配置し、前記はんだをリフローさせるステップと、
を含む製造方法。
（１１） ドーナツ型に形成されたランドを用いて、前記絶縁物層を溶解させる前記所定の区域を画定する、（１０）に記載の方法。
（１２） 確実に部品が取り付けられる回路カード・パッケージを提供するために、前記ドーナツ型に形成されたランド及び他のランドによって位置決めされる区域に、リフロー用はんだを付着するステップを更に含む、（１１）に記載の方法。
（１３） 前記絶縁物質層が、少くとも１ミル当り２５００ボルトの絶縁耐力を有する、（６）に記載のパッケージ。
（１４） 前記絶縁物質層が、光学的に像形成可能なエポキシである、（３）に記載の方法。
（１５） 相互接続された組立品であって、
（ａ） 金属板と、
（ｂ） 前記金属板の表面に直接接触状態にある硬化可能な絶縁物の層であって、前記絶縁物層が前記金属表面に接触状態で硬化されたことを示すインターフェース構造を有する絶縁物層と、
（ｃ） 前記絶縁物表面上の回路層であって、複数のドーナツ型のランド、及び前記複数のランドに接続される導体を含む回路層と、
（ｄ） 個々のドーナツ型のランドから金属板まで、固化された絶縁物を貫いて伸張する複数のバイアと、
（ｅ） 前記ランドと前記金属板とを電気的に相互接続する、前記バイア中の導体物質と、
（ｆ） 前記金属板に相互接続されている複数のドーナツ型のランドと、及び回路層の他のランドとに接続されている導線を有する部品と、
を含む組立品。
（１６） 多層回路基板を製造する工程であって、
（ａ） 銅のベースを含む薄い金属板を形成するステップと、
（ｂ） 金属板の上に直接に硬化可能な絶縁物の被覆を付着させるステップと、
（ｃ） 硬化可能な絶縁物上に、中心開孔部を有するドーナツ型のランドを含む回路層を形成するステップと、
（ｄ） 複数の前記ドーナツ型ランドをマスクとして用い、前記中心開孔部で画定されたバイアを形成し、このバイアを硬化可能な絶縁物を貫いて伸張させるステップと、
（ｅ） 個々の前記ランドを前記金属板に相互接続するために、前記バイア中に導体材料を付着させるステップと、
（ｆ） 前記絶縁物を硬化されるステップと、
を含む製造工程。
（１７） 前記金属板に乾燥した部分的に硬化した薄膜を積層させることにより絶縁物を付着させ、薄膜が付着された後で、しかも絶縁薄膜を十分に硬化させる前に、配線層及びバイアを形成する、（１６）に記載の製造工程。
（１８） 前記絶縁層が光学的に像形成可能なエポキシであり、前記バイアを形成するステップが、孔の中心部下のエポキシを電磁気放射にさらし、前記さらされたエポキシを溶解させ、前記ドーナツ型の中心から前記金属板までを貫いて前記バイアを形成することを含む、（１６）に記載の工程。
（１９） 複数の回路基板を製作し、前記金属板と前記回路層上の１つ以上の導体との間に３０００ボルト以上の電圧をかけ、１つ以上の基板をテストすることにより工程を検査するステップを更に含み、前記導体は前記金属板に相互接続されている前記ドーナツ型のランドに接続されていないものである、（１６）に記載の製造工程。
（２０） 導体物質を前記バイアに付着させるステップが、はんだを前記バイアにスクリーン印刷することを含み、又はんだが複数のドーナツ型のランド及び他のランド上にもスクリーン印刷され、更に、
（ａ） はんだ付けされた導線を有する前記回路基板上に表面実装部品を配置するステップと、
（ｂ） はんだをリフローさせるために前記回路基板を加熱し、前記ドーナツ型のランドをはんだ合金を用いて前記金属板に、更に部品導線をはんだ付けにより前記ランドに、同時に相互接続させるステップと、
（ｃ） 前記回路基板を冷却させるステップと、
を更に含む、（１６）に記載の製造工程。
（２１） 少くとも２５００ボルトの絶縁破壊耐力を保持しつつ、前記絶縁物層を介して十分に速い速度で熱を伝達するために、十分に薄い前記絶縁物厚さを有し、動作中において前記キャリアの冷却の大部分の役を担う冷却手段を更に含む、（１５）に記載の組立品。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った、主に電圧変換動作用の多層回路カードの配置を示す図である。
【図２】本発明に従った電圧昇圧回路の配置で主に採用されるような、本発明に従った回路カードを示す図である。
【図３】現像用マスクとして機能する独特な構造の金属ランドを示す断面を、少し高い位置から見た透視図である。
【符号の説明】
１０ 回路カード
１１ 金属キャリア
１２ 第１の絶縁体層
１３ 第１の銅フォイル
１３ａ、１３ｂ 信号配線
１４ 第２の絶縁体層
１５ 第３の絶縁体層の開口部
１６ 搭載部品
１７ 金属線
１８ 配線
１９ 第２の銅フォイル
２０ａ、２０ｂ 配線
２１、２２ 搭載部品
２３、２４、２５、２６、２７、２８ 電気的接続
２９ 第３の絶縁体層
３０ 回路カード
３１ 金属キャリア
３２ 絶縁物質（光学的に像を描けるもの）
３３ 相互接続用バイア
３４ 部品搭載用開口部
３５ 部品
３６ はんだ
３７ 銅フォイル
３８ 銅ランド
３９ 配線

Claims (5)

1. 多層回路カードを製造する方法であって、
   （ａ） 所定の物質からなる層を積層するために処理された表面を有する金属基板をキャリアとして提供するステップと、
   （ｂ） 前記金属基板の前記処理された表面に所定の液状絶縁物を塗布し、次いで乾燥して第1の絶縁物質層を設けるステップと、
   （ｃ） 前記第１の絶縁物質層の上に第１の銅フォイル材を積層すると同時に、前記第１の絶縁層物質を硬化させるステップと、
   （ｄ） 前記積層された第１の銅フォイル材中に、配線パターンを画定するステップと、
   （ｅ） 前記第１の銅フォイル層の前記配線パターンの間に、硬化された第２の絶縁物質層を形成することによって平坦な平面を形成するステップと、
   （ｆ） 前記平坦な平面上に所定の絶縁物を塗布し、次いで乾燥して第３の絶縁物質層を設けるステップと、
   （ｇ） 前記第３の絶縁物質を硬化させないように十分に低い温度及び圧力下で、前記第３の絶縁物質層上に、第２の銅フォイル材を積層するステップと、
   （ｈ） 前記第２の銅フォイル材中に配線パターン、バイア、ランド及び部品搭載用開口部を画定するステップと、
   （ｉ） 前記バイア及び開口部によって画定された区域内の前記第２の銅フォイル材によって被覆されていない前記第３の絶縁物質層を溶剤に溶解するステップと、
   （ｊ） 残った前記第３の絶縁物質層を所定の温度に十分な時間さらすことによって硬化させるステップと、
   （ｋ） 前記開口部、バイア及びランドにはんだを付着するステップと、
   （ｌ） 前記開口部及び前記ランドの前記ハンダ上に部品を配置し、前記はんだをリフローさせるステップと、
   を含む製造方法。
2. 前記ランドがドーナツ型に形成され、前記ランドを現像マスクとして使用することによって、絶縁物層内に自己整合したバイアを形成するステップ、を含む請求項１に記載の方法。
3. 銅フォイル材の積層が、積層プレス機により行われる、請求項１または２項記載の方法。
4. 前記平坦な平面を形成するステップが、真空積層装置を用いることによって、又は、スクリーン印刷法によって行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記第１及び第２の絶縁物質が、感光性エポキシ樹脂である、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。

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