JP3985650B2 - 放熱用基板及びその製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路部品が実装された基板に、樹脂と無機フィラーの混合物を組み合わせて、放熱性を向上させた放熱用基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に従い、回路部品の高密度、高機能化が一層叫ばれている。そのため、回路部品の高密度化、高機能化に対応した回路基板が要求されている。その結果、回路部品の放熱を高める方法が重要となってきている。回路部品の放熱性を高める技術として、従来のアルミ板を切削加工したものを部品実装している回路基板に貼り付け、部品の天面から熱を拡散する方式が知られている。しかし、この方式では、複数の部品の天面にアルミ板を接触させるためにはアルミ板に複雑な加工をする必要があり、コストが高くなるという課題を残している。
【0003】
さらに、図面を用いて説明する。図4は従来の放熱用基板を示す概略側面図であり、一般的にはアルミ板を切削加工した放熱板401を部品実装済みの回路基板107に熱伝導性接着剤110を用いて貼り付け、部品108の天面から熱を拡散する方式が知られている。しかし、この方式ではすべての部品の天面にアルミ板を接触させるためには、アルミ板に複雑な切削加工をする必要があり、コストが高くなるという課題を残している。
【0004】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−046049号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の金属板の貼り付け方法は、性能及びコストの面で両立させることが難しい。回路部品実装済み基板では、回路部品の実装密度が高密度になればなるほど部品から発生する熱を放熱させる必要が高くなるが、従来の金属板の貼り付け方法では複数の部品の天面に接触できるような放熱板を作るのはその加工方法が切削加工によるため、非常に手間がかかり、コストが高くなる。したがって、一部の部品、または、部分的な接触で妥協することが多く、結果として十分に放熱をすることができず、回路部品実装済み基板の信頼性が低下するという問題があった。
【0007】
本発明は、上記従来の問題を解決するため、高効率の放熱用基板とその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の放熱用基板は、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなり、それが加熱される前は軟体であるため、容易にそれが組み合わされる回路基板の実装部品の天面に当接するように形成することができる。したがって、多数の実装部品の天面に接触することによる高い放熱効果と、成形方式による複雑な形状を容易に形成することができ、生産性の高い製造方法を提供するものである。
【0009】
また、上記放熱用基板では回路部品から発生する熱が、無機フィラーによって速やかに放熱されるため、信頼性の高い回路部品実装基板が得られるだけでなく、無機フィラーの材質を選択することによって、回路の特性に合わせてこの電気絶縁性を持つ放熱基板の熱伝導度、線膨張係数、誘電率、絶縁耐圧等を変化させることができる。
【0010】
また、放熱用基板の片面に回路パターンを形成したり、貫通孔を形成することにより、部品内蔵多層基板を容易に形成することができる。
【0011】
特に、本発明の請求項1に記載の発明は、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材の混合物からなり、複数の回路部品を実装した回路基板の部品実装面側に載置される放熱用基板であって、前記回路基板に実装した複数の回路部品に基づく構造形状に対応した凹凸形状を有し、前記凹凸形状に対応した型に押し当てて前記型から分離するピンを挿通する貫通孔を厚み方向に設けたことを特徴とする構成であり、貫通孔を有することにより容易に型との分離を実現して回路基板上に形成することができ、形成時の凹凸形状の型くずれをなくし確実に高精度な凹凸形状を有したモジュールを成形できるという作用効果を奏する。また、混合物が加熱される前は軟体であるため、貫通孔を有する複雑な形状を容易に高精度に形成でき、また容易にそれが組み合わされる回路基板の実装部品の天面に当接するように成形することができる。また、回路部品から発生する熱が、凹凸形状に成された混合物の無機フィラーによって速やかに放熱されるため、信頼性の高い回路部品実装基板が得られる。さらに、無機フィラーの材質を選択することによって、回路の特性に合わせて電気絶縁性高放熱封止材の熱伝導度、線膨張係数、誘電率、絶縁耐圧等を変化させることができるという効果を奏する。
【0012】
本発明の請求項2に記載の発明は、一方の面に導電パターンを有した請求項1記載の構成であって、導電パターンにより放熱性を向上させ、放熱特性の優れた回路基板、または両面回路基板を実現することができるという効果を奏する。
【0013】
本発明の請求項3に記載の発明は、導電パターンは、混合物に埋め込まれた金属板であることを特徴とする請求項2記載の構成であって、請求項2記載の発明における効果の他に、埋め込まれた金属板により放熱効果を向上させることができる効果を奏する。
【0014】
尚、金属板は、導電性を有していなくとも放熱効果に対して同等の効果を奏する。
【0015】
本発明の請求項4に記載の発明は、導電パターンは、銅箔よりなる請求項2記載の構成であって、銅は熱伝導率が高く、また導電性も優れているため、放熱効果を高めるとともに、微細なパターンを形成することができる。また、板厚を厚くすれば、大電流を流すことができるという効果を奏する。
【0016】
本発明の請求項5に記載の発明は、表裏面を貫通し、導電性を有するスルーホールを備えた請求項2記載の構成であり、
本発明の請求項6に記載の発明は、複数のピンを挿通し、型から平行に分離する複数の貫通孔を有し、
当該貫通孔は、回路基板に実装した複数の回路部品に基づく構造形状に対応した凹凸形状の凸部に複数有する請求項1記載の構成であり、回路部品の形状に対応した凹凸形状を成形した後、貫通孔を有することにより容易に型との分離を実現して基板を形成することができ、また、等しい長さのピンを貫通孔に挿通してそのピンにより基板と型との分離を容易に行い、形成時の凹凸形状の型くずれをなくし確実に高精度な凹凸形状を有したモジュールを形成できるという作用効果を奏する。
【0018】
放熱用基板にスルーホールが形成されていることにより、回路部品内蔵両面基板が得られる。この場合、回路部品から発生する熱が、無機フィラーによって速やかに放熱されるため、信頼性の高い回路部品内蔵両面基板となる。また、半導体素子を含む多層の回路部品内蔵両面基板では、絶縁層を厚くとれるため、ノイズ低減、損失低減ができる。また、多層構造にすることによって、さらに高密度に回路部品を実装することができるだけでなく、回路を多段に分けることによって配線インダクタンスが低くなり、ノイズを低減することができる。また、スルーホールに導電性樹脂組成物が充填されているか又は銅メッキによるスルーホールを形成し、さらにその両面に金属の配線パターンが形成されていることが好ましい。なぜなら、金属の配線パターンは電気抵抗が低く、低損失の回路を実現することができるからである。
【0027】
本発明の請求項に記載の発明は、無機フィラーと粉体の熱硬化性樹脂とプレゲル材との混合物を、回路基板に実装された複数の回路部品に基づく構造形状を有した型により前記構造形状に対応させて凹凸形状に成形し、前記型に当接する凹凸形状に成形された混合物を前記型の前記回路部品に基づく構造形状から同時に分離して形成し、その後、前記熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱して硬化する構成であり、混合物を型から全面同時に分離して剥離することにより、混合物に成形された凹凸形状が剥離の際に型くずれすることなくほぼ成形直後の回路部品の構造形状に対応した高精度な凹凸形状を有したまま分離することができるという作用効果を奏する。
【0028】
本発明の請求項に記載の発明は、凹凸形状に成形された混合物を、前記混合物の凹凸形状と反対の平面を吸着し、型から分離する請求項記載の構成であり、請求項記載の発明における作用効果の他に、混合物の平面全体を吸着して平行移動させることにより、簡単な構成で容易に型から分離できるとともに、より高精度に凹凸形状を有したまま分離することができるという作用効果を奏する。
【0029】
本発明の請求項に記載の発明は、凹凸形状に成形された混合物を、前記混合物と当接する型が位置する側から押動させ、型から分離する請求項記載の構成であり、請求項記載の発明における作用効果の他に、混合物を押動させて型から分離することにより、確実に単純な構成で混合物を型から剥離でき、高精度な凹凸形状を有した混合物を提供することができるという作用効果を奏する。
【0030】
本発明の請求項10に記載の発明は、ピンを、型に有した貫通孔を通して混合物に押し当てながらその混合物を押動させ、型から分離する請求項記載の構成であり、請求項記載の発明における作用効果の他に、ピンを貫通孔を介して押し当てることにより、より単純な構成で確実に混合物を型から分離することができるという作用効果を奏する。
【0031】
本発明の請求項11に記載の発明は、複数のピンで混合物を同時に押動させ、型から分離する請求項10記載の構成であり、請求項10記載の発明における作用効果の他に、複数のピンで押動させることにより、混合物と型からほぼ平行に確実に分離でき、高精度な凹凸形状を有した混合物を提供できるという作用効果を奏する。
【0032】
本発明の請求項12に記載の発明は、ピンは、型に有した貫通孔を覆うフィルムを介して混合物を押動させ、型から分離する請求項10記載の構成であり、請求項10記載の発明における作用効果の他に、フィルムで貫通孔を覆うことにより、貫通孔に混合物が進入することがないので、混合物が貫通孔部で異形の形状に成形されることなく、かつ、貫通孔にピンを挿入する妨げにもならないので、より確実に高精度な凹凸形状を有した混合物が提供できるという作用効果を奏する。
【0033】
本発明の請求項13に記載の発明は、凹凸形状に成形された混合物の凸部を押動する請求項10記載の放熱用基板の構成であり、請求項10記載の発明における作用効果の他に、混合物の厚みが大きく、型の底側に向けて深く進入している混合物を凸部で押動させることにより、確実に、凸部を高精度に型から分離することができるという作用効果を奏する。
【0034】
請求項14に記載の発明は、凹凸形状に成形された混合物の厚みの等しい凸部を押動する請求項10記載の構成であり、請求項10記載の発明における作用効果の他に、さらに高精度で確実に型から分離できるという作用効果を奏する。
【0035】
本発明の請求項15に記載の発明は、型と当接する混合物が位置する側から、前記型を押動させて前記混合物から分離する請求項記載の構成であり、請求項記載の発明における作用効果の他に、混合物を保持して型を押動させることにより、より確実に混合物を型から分離することができるという作用効果を奏する。
【0036】
本発明の請求項16に記載の発明は、凹凸形状に成形された混合物の凹部は、その凹部に配置される回路部品の外形より大きいことを特徴とする請求項記載の構成であり、凹部が回路部品の外形より大きいことにより、回路部品を実装した回路基板への貼合わせが容易で、また、回路基板との接合強度を向上させる接着剤などを凹部に充填しても同様に回路基板との貼合わせが容易な放熱用基板が提供できるという作用効果を奏する。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における一実施例について、図面を用いて説明する。
【0038】
図1(a)〜(f)は、本発明の実施の形態における放熱用基板の製造工程図である。
【0039】
図2(a)〜(h)は、本発明の実施の形態における放熱用基板の片面に回路パターン、及びスルーホールを持つ場合を示す製造工程図である。
【0040】
図3は、本発明の実施の形態における貫通孔を有した放熱用基板の断面図である。
【0041】
なお、従来の技術で説明した構成部材については同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
【0042】
図1(a)において、無機フィラーと粉体の熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物となる混合物102は、片面にPETフィルム101を貼り付けており、これを図1(f)に示す回路部品108を実装した回路基板107に基づく構造形状に対応した凹凸形状を有した型103に押し当てられる。この混合物102は、熱盤104と105により上下から挟まれ、加圧されて成形され、その後、熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱して硬化する。この時、一般的なエポキシ樹脂などは温度を硬化温度より高く上げないと金型から取り出せるに十分な硬さにならないが、液状の硬化性組成物に熱可塑性樹脂パウダー、すなわちプレゲル材を混合した場合、その熱可塑性樹脂パウダーは液状の硬化性組成物の液状成分を吸収して膨潤し、組成物全体としては半硬化状態となる固形状を示す。この固形状硬化組成物を用いた場合、金型全体を硬化温度以下の状態で、回路基板107と同じ形をした型から取り外すに十分な硬度にすることができ、短時間で金型を開くことができ、生産性が上がる。
【0043】
図1(b)は、成形後の硬化した混合物102の状態を示している。
【0044】
図1(c)は、混合物102を型103から分離させている状態を示している。型103にピン103aが挿通できる貫通孔を設け、貫通孔に混合物102が進入しないように設けてあったフィルム103bを介して、ピン103aを、混合物102と当接する型103が位置する側から混合物102の凸部を押動させてほぼ同時に混合物102全面を型103から平行移動させて剥離させる。それにより、凹凸形状が型くずれすることなく高精度に型103から分離することができる。
【0045】
尚、この時、混合物102のPETフィルム101面側、すなわち、凹凸平面と反対の平面を真空吸着により引き上げて分離させても、同等以上の効果を奏する。
【0047】
また、混合物102の代わりに、混合物102の側から型103を図3に示す様な混合物102の厚み方向に設けた貫通孔301を介してピンなどを押し当てて押動させ、分離させてもよい。
【0048】
この時、混合物102の厚みの等しい凸部に貫通孔を複数設けて型を等しい長さのピンなどで同時に押動させ、平行移動させることで、凹凸形状を型くずれさせることなく、確実に分離させることができる。
【0049】
図1(d)は、このようにして硬化状態で型から取り外した状態を示す。その後、図1(e)に示すように、余分な部分をPETフィルムごとカッター106により切断した後、PETフィルムを剥がしてから、必要に応じて恒温槽で硬化温度以上の温度で加熱して十分硬化させる。この時、PETフィルムをつけたまま硬化させると、密着して取れなくなる可能性があるので、あらかじめPETフィルムは剥がしておく方が望ましい。図1(f)は、そのようにして硬化させて作った放熱用基板109を、回路部品108を実装した回路基板107に、熱伝導性接着剤110を用いて組み合わせている状態を示す。組み込み易くするために、回路基板107には、導電パターン111が貼り付けられている。このように放熱用基板109を回路基板107に組み合わせることにより、回路基板107上に実装された回路部品108の発熱による熱量が、放熱用基板109全体に均一に伝達されるため、発熱した回路部品が高温になるのを防ぐことができ、回路基板107の信頼性を高めることができる。この場合、放熱用基板109は回路部品108の全ての天面に当接させる必要はなく、高温になる部品に限ってもよい。
【0050】
図2(a)〜(h)は放熱用基板に回路基板の機能も持たせた場合の製造工程である。図2(a)は、混合物102の片面に銅箔201が配置されている状態で、型103に重ねられる状態を示す。図2(b)〜(e)は、図1で示した製造工程と基本的に同じである。図2(f)は、硬化状態で打抜きパンチ202によりスルーホール203を空けた状態を示す。この時、穴加工はドリルでも可能である。図2(g)は、硬化させた後に、銅箔201を化学処理により導電パターンとなる回路パターンを形成し、スルーホール203には銅メッキを施した状態を示す。図2(h)は、以上のようにして作られた放熱用基板109を、回路基板107に組み合わせた状態である。この時、回路基板107に立てられた導通ピン204は、スルーホール203に圧入されており、放熱用基板109上の回路パターンと回路基板107とが電気的に導通した状態になっている。いわば多層(この場合は2層)の部品内蔵モジュールである。なお、2層にすることによりいくつかの利点が生まれる。例えば、電源モジュールの場合、平面上で同一ラインを接続するとループが生じ、ノイズが発生しやすいが、上下二段にすると配線インダクタンスが低減され、ノイズが減る。また、各層がそれぞれ+側、−側で、その間の電気絶縁性の放熱用基板109の厚みは0.2〜10mmと、従来技術の金属ベース板に印刷された数100μmの絶縁層と比べて格段に厚いため、ノイズや損失の低減に大きな効果がある。また、二層構造を採ることにより高密度実装化が可能となる。
【0051】
図3は、本発明の実施の形態における貫通孔を有した放熱用基板の断面図である。
【0052】
型103と分離する際に使用する貫通孔は、熱源となる回路部品108を避けて混合物102の凸部に設けてあるので、放熱特性を劣化させることなく放熱用基板109を実現できる。尚、必要に応じて、回路基板107に組み込む際には、貫通孔は絶縁樹脂等で孔埋め充填してもかまわない。
【0053】
なお、導電パターン111は、混合物に埋め込まれた金属板であっても、放熱効果に対して同等以上の効果を奏する。
【0054】
また、導電パターン111は、銅箔の他にパターンの形状を有した金属板を使用し、混合物102の片面に埋め込んだ後、その混合物102を硬化させて放熱用基板を形成しても同等以上の効果を奏する。
【0055】
また、図2(a)〜(h)においては、回路基板107と同じ形の型103に、混合物102を押し当てて、加圧加熱により成形したが、型103を使用せずに回路基板107に直接押し当てて加圧加熱により混合物102を成形してもよく、工程が短縮され、生産スピードが向上するという同等以上の効果を奏する。
【0056】
また、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂の他、必要な特性に応じて、フェノール樹脂、またはシアネート樹脂を使用してもかまわない。
【0057】
また、無機フィラーは、必要特性に応じて、Al23,MgO及びSiO2のどれを使用しても同等の効果を奏する。また、その粒径は、0.1〜100μmと小さい程、放熱効果を高める効果を奏する。
【0058】
また、混合物の各種配合比により、放熱用基板の線膨張係数は、8×10-6/℃〜20×10-6/℃と、導電パターン111あるいはスルーホール203と近い特性にすることにより、放熱用基板における硬化後の反りや歪を小さくすることができ、また、導電パターン111やスルーホール203の断線を防止することができるという効果を奏する。
【0059】
また、放熱用基板109の必要特性に応じて、混合物102に、分散剤、カップリング剤、離型剤などの添加剤を加えても同等以上の効果を奏する。
【0060】
【発明の効果】
以上のように本発明による、放熱用基板は、無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材との混練物からなり、それが加熱される前は粉体であるため、容易にそれが組み合わされる回路基板の実装部品の天面に当接するように成形することができる。したがって、多くの実装部品の天面に接触することによる高い放熱効果と、成形方式による複雑な形状を容易に形成することができ、生産性の高い製造が可能になる。さらに、無機フィラーの材質を選択することによって、回路の特性に合わせて、電気絶縁性を持った放熱用基板の熱伝導度、線膨張係数、誘電率、絶縁耐圧等を変化させることができる。また、放熱用基板上面を平坦にすることにより、真空チャックによる吸引が可能になり、自動実装も実現できる。また、多層構造とすることにより、高密度に回路部品を実装することができ、しかも放熱性も高い上に、配線インダクタンスが低減されるためノイズも低減する。したがって、本発明の放熱用基板では、高密度に回路部品が実装され、且つ、モジュール自体の自動実装も可能にした、信頼性が高い回路部品内蔵モジュールが得られる。さらに、無機フィラーを選択することによって、電気絶縁性基板の熱伝導度、線膨張係数、誘電率などを制御することが可能である。したがって、本発明の放熱用基板は、線膨張率を半導体素子とほぼ同じにすることが可能であるため、半導体素子を内蔵した回路部品内蔵モジュール形成用として好ましい。また、熱伝導度を向上させることができるため、放熱を必要とする半導体素子などを内蔵した回路部品内蔵モジュール形成用として好ましい。さらに誘電率も低くすることができるため、高周波回路用の回路部品内蔵モジュール形成用として好ましい。さらに、電気絶縁性基板の厚みを厚くとれるためノイズや損失を低くすることができる。
【0061】
また、本発明による、放熱用基板の製造方法では、上記回路部品内蔵モジュールを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(f)は、本発明の実施の形態における放熱用基板の製造工程図
【図2】(a)〜(h)は、本発明の実施の形態における放熱用基板の片面に回路パターン、及びスルーホールを持つ場合を示す製造工程図
【図3】本発明の実施の形態における貫通孔を有した放熱用基板の断面図
【図4】従来の放熱用基板を示す概略側面図
【符号の説明】
101 PETフィルム
102 混合物
103 型
103a ピン
103b フィルム
104 熱盤(上)
105 熱盤(下)
106 カッター
107 回路基板
108 回路部品
109 放熱用基板
110 熱伝導性接着剤
111 導電パターン
201 銅箔
202 打抜きパンチ
203 スルーホール
204 導通ピン
301 貫通孔
401 放熱板

Claims (16)

  1. 無機フィラーと熱硬化性樹脂とプレゲル材の混合物からなり、複数の回路部品を実装した回路基板の部品実装面側に載置される放熱用基板であって、
    前記回路基板に実装した複数の回路部品に基づく構造形状に対応した凹凸形状を有し、前記凹凸形状に対応した型に押し当てて前記型から分離させるピンを挿通する貫通孔を厚み方向に設けたことを特徴とする放熱用基板。
  2. 一方の面に導電パターンを有した請求項1記載の放熱用基板。
  3. 導電パターンは、混合物に埋め込まれた金属板であることを特徴とする請求項2記載の放熱用基板。
  4. 導電パターンは、銅箔よりなる請求項2記載の放熱用基板。
  5. 表裏面を貫通し、導電性を有するスルーホールを備えた請求項2記載の放熱用基板。
  6. 複数のピンを挿通し、型から平行に分離する複数の貫通孔を有し、当該貫通孔は、回路基板に実装した複数の回路部品に基づく構造形状に対応した凹凸形状の凸部に複数有する請求項1記載の放熱用基板。
  7. 無機フィラーと粉体の熱硬化性樹脂とプレゲル材との混合物を、回路基板に実装された複数の回路部品に基づく構造形状を有した型により前記構造形状に対応させて凹凸形状に成形し、前記型に当接する凹凸形状に成形された混合物を前記型の前記回路部品に基づく構造形状から同時に分離して形成し、その後、前記熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱して硬化する放熱用基板の製造方法。
  8. 凹凸形状に成形された混合物を、前記混合物の凹凸形状と反対の平面を吸着し、型から分離する請求項記載の放熱用基板の製造方法。
  9. 凹凸形状に成形された混合物を、前記混合物と当接する型が位置する側から押動させ、型から分離する請求項記載の放熱用基板の製造方法。
  10. ピンを、型に有した貫通孔を通して混合物に押し当てながらその混合物を押動させ、型から分離する請求項記載の放熱用基板の製造方法。
  11. 複数のピンで混合物を同時に押動させ、型から分離する請求項10記載の放熱用基板の製造方法。
  12. ピンは、型に有した貫通孔を覆うフィルムを介して混合物を押動させ、型から分離する請求項10記載の放熱用基板の製造方法。
  13. 凹凸形状に成形された混合物の凸部を押動する請求項10記載の放熱用基板の製造方法。
  14. 凹凸形状に成形された混合物の厚みの等しい凸部を押動する請求項10記載の放熱用基板の製造方法。
  15. 型と当接する混合物が位置する側から、前記型を押動させて前記混合物から分離する請求項記載の放熱用基板の製造方法。
  16. 凹凸形状に成形された混合物の凹部は、その凹部に配置される回路部品の外形より大きいことを特徴とする請求項記載の放熱用基板の製造方法。
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