JP4175351B2 - 凹凸多層回路板モジュール及びその製造方法 - Google Patents

凹凸多層回路板モジュール及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、表面が凹凸面として形成された立体回路基板などの凹凸多層回路板に、その凹部に部品を実装したり、その凸部に部品を内蔵したりして形成される凹凸多層回路板モジュール及びその製造方法に関するものである。
近年、配線基板の配線密度の向上により、基板の小型化、部品間の配線距離の短縮化が進み、電子機器の高機能化、小型薄型化が進展しているが、その反面、部品間のノイズによる機器の誤動作が多発しており、高周波ノイズ対策が急務である。また、回路板に部品を実装することにより、ある一定の機能を有する回路板モジュールを形成することが行われており、立体回路基板などの回路板においては部品を凹部に収めることにより、モジュール全体の高さを低くすることが行われている(特許文献1参照)。
高周波ノイズ対策の現状は、一般的には金属で出来た箱状の容器を回路板にかぶせて、回路板の回路と半田付けを行い、部品からの高周波ノイズを遮断することが行なわれている。銅粉を充填させた樹脂を封止してノイズを遮断している場合もある。
また、モジュール全体の高さを低くする低背化では、回路板としてセラミック基板を用いる場合は、凹部を形成した焼成によりセラミック基板を形成することが行なわれており、その凹部に部品を収めて、モジュール全体の高さを低くしたり、その部品が発する高周波ノイズをその凹部に閉じ込めたりすることが一般的に行なわれている。
その他に、特にLED基板に使用されている回路板では、LEDを実装する部分をザグリ工法により1穴1穴明けて機械加工している場合がある。さらに、一般的な樹脂成形品では、金型を使用してモールド樹脂を熱溶融させ、その表面に回路をメッキにより形成している場合もある。
しかし、上記のような高周波ノイズ対策では、金属製の箱を回路板に被せるという工程が1工程増えること、及び金属製の箱との絶縁を確保するためにひとまわり大きくなると言う問題があった。また、金属粉を混入させた封止材等を表面に塗る場合は、部品との絶縁をするために、まず絶縁性の封止材で全体を封止した後に、導電性の封止材を塗布する必要があり、非常に作業が煩雑になるという問題があった。
さらに、低背化するにあたって、上記のようなセラミック基板では、打ち抜いて穴の開いたグリーンシートを何枚も重ねて焼結することにより、凹凸基板を作成するが、焼結でかなりの収縮が発生するために寸法精度及び回路の精度は非常に悪く、部品実装時には位置合せに非常に苦労していた。更に1穴1穴ザグリ加工により凹部を形成する方法では、加工に時間がかかりコストアップになってしまうと言う問題があった。大きな凹部を形成することは更に難しいものであった。樹脂成形品では、小さな個片なら強度的な問題はないが、そもそも金型による大きな板状体を加工することは出来ないが、少しでも平らな板状体を加工すれば、強度が不十分で使用に耐えないものであった。
特開平11−54925号公報
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、安価に加工することができ、また強度の高い立体成形体とすることができ、また凹部で使用される回路の精度が高く、さらに凸部に部品を内蔵させることも、凹部に部品を実装することもできて広い用途で使用することができ、また優れた電磁波の遮蔽性を有して高周波ノイズ対策の良好な凹凸多層回路板モジュール及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明の凹凸多層回路板モジュールは、多層回路板1の少なくとも片面に樹脂製の凸部2が形成されると共に多層回路板1の凸部2以外の部分に凹部3が形成され、凸部2の表面全面には電磁遮蔽が可能な金属層11が形成され、多層回路板1の回路4のアースとして金属層11が形成され、凸部2以外に設けた回路は多層回路板1の表層の回路4が露出することにより形成され、凸部2には部品7が内蔵され、凹部3には部品6が実装されて成ることを特徴とするものである。
本発明の凹凸多層回路板モジュールの製造方法は、多層回路板1の部品7が実装された片面に樹脂シート10と金属箔からなる金属層11とを積層し、凹凸面を有する金型12で樹脂シート10及び金属層11を多層回路板1に熱圧着成形して凸部2と凹部3を形成することによって、多層回路板1に実装された上記部品7を凸部2に内蔵させると共に凹部3の底部で多層回路板1の表層の回路4を覆う樹脂層13を形成し、凸部2の表面全面の金属層11と多層回路板1の回路4とをアース接続するための導通形成を行ない、樹脂層13及びその表面の金属層11を除去することにより多層回路板1の表層の回路4を凹部3内に露出させ、凹部3に部品6を実装することを特徴とするものである。
また、本発明の凹凸多層回路板モジュールの製造方法は、多層回路板1の部品7が実装された片面に樹脂シート10を積層し、凹凸面を有する金型12で樹脂シート10を多層回路板1に熱圧着成形して凸部2と凹部3を形成することによって、多層回路板1に実装された上記部品7を凸部2に内蔵させると共に凹部3の底部で多層回路板1の表層の回路4を覆う樹脂層13を形成し、凸部2の表面全面にメッキにより金属層11を形成し、この金属層11と多層回路板1の回路4とをアース接続するための導通形成を行ない、樹脂層13を除去することにより多層回路板1の表層の回路4を凹部3内に露出させ、凹部3に部品6を実装することを特徴とするものである。
本発明にあっては、従来から多層プリント配線板として用いられている一般的な多層回路板をベースとして、凹凸多層回路板を大面積で一度に加工することができ、コスト的にも非常に安価に加工することができるものである。また大面積の凹凸多層回路板であっても使用されている多層回路板により非常に強度の高い立体成形体とすることができるものである。また凹部で使用される回路は既に多層回路基板に施された回路を使用するために精度を非常に高くすることができるものである。さらに凸部に部品を内蔵させることも、凹部に部品を実装することもできるので、非常に広い用途で使用することができるものである。また、電磁遮蔽をするための金属層は凸部の全体をカバーしており、漏れがまったく無くなって、非常に優れた電磁波の遮蔽性を有して高周波ノイズ対策が良好なものとなるものである。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1に本発明の凹凸多層回路板モジュールの一例を示す。この凹凸多層回路板モジュールは片面(上面)を凹凸面として形成したものであって、多層回路板1、凸部2及び凹部3、部品6、7などを備えて形成されている。
多層回路板1は従来から多層プリント配線板などとして用いられているものであって、絶縁基板の両面あるいは両面と内部に回路4を設けて形成されるものである。この多層回路板1は、例えば、リジットな両面銅張り積層板に回路形成工程を施したものを用いることができる。両面にある回路4、4同士あるいは両面と内部にある回路4、4同士はスルーホールやバイアホールなどの導通手段20により電気的に接続されている。
凸部2は上記多層回路板1の片面に形成されるものであって、多層回路板1の片面に突出して部分的に設けることができる。凸部2は樹脂あるいは樹脂と無機フィラーを含む樹脂組成物の硬化物で形成することができ、多層回路板1の厚みと同等かあるいはこれよりも薄い厚みの層状に形成することができるが、これに限定するものではない。また、凸部2の表面全面(上面と側面)には金属層11が設けられており、この金属層11はスルーホールやバイアホールなどの導通手段20により多層回路板1の表層の回路4に電気的に接続されている。すなわち、金属層11は回路4のアースとして形成されているものであり、回路4と金属層11はアース接続されている。さらに凸部2にはチップ抵抗やチップコンデンサなどの部品(電子部品)7が内蔵されている。この部品7は多層回路板1の表面(上面)に実装されて回路4と電気的に接続されている。
凹部3は、凸部2を設けた側の多層回路板1の片面において、凸部2を設けていない部分で形成されるものであって、例えば、隣り合う凸部2、2の間の部分を凹部3とすることができる。また、凹部3の底面は多層回路板1の上面で形成することができると共に凹部3には多層回路板1の上面に設けた表層の回路4が露出して設けられている。
そして、本発明の凹凸多層回路板モジュールは、上記のように多層回路板1の片面に凸部2と凹部3とを設けて形成される凹凸多層回路板14に、チップ抵抗やチップコンデンサなどの部品(電子部品)6を実装することによって形成することができる。この場合、凹凸多層回路板14の上面側(凹凸面側)においては、部品6は凹部3内に露出した回路4に直接接合した状態で凹部3内に納めるようにして実装する。また、凹凸多層回路板14の下面側においては、部品6は多層回路板1の下面に露出した回路4に直接接合した状態で実装する。
図1に示す上記のような凹凸多層回路板モジュールを形成するあたって、以下のようにして行う。
まず、図2(a)に示すように、部品7が実装された多層回路板1の上面に樹脂シート10を積層すると共にこの樹脂シート10の上面に金属層11を積層し、さらに金属層11の上に金型12を載置する。多層回路板1としては例えば厚み400μm程度のものを用いることができるが、これに限定するものではない。また、樹脂シート10が載置される前に多層回路板1の上面には表層の回路4が形成されている。樹脂シート10としてはフィラー高充填樹脂シート材料を用いることができ、例えば、厚み300〜500μm程度で、低線膨張率化のために、シリカやアルミナなどのフィラーを60〜95wt%程度含有した熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂など)シートを用いることができる。金属層11としては金属箔を用いることができ、例えば、厚み18μm程度の銅箔などを用いることができ、凹凸を吸収して良く延びる銅箔を選定するのが好ましい。金型12としてはステンレスプレートなどを用いることができ、その下面に設けた凸成形部22を樹脂シート10側になるようにして積層する。
次に、上記のような積層状態で真空引きを行った後に、樹脂シート10を熱溶融して熱圧着成形を行う。この時、金型12の凸成形部22が多層回路板1の表面近傍にまで達した状態で樹脂シート10の硬化を完了させる。このようにして図2(b)に示すように、樹脂シート10を金型12で成形しながら硬化させることにより凸部2と凹部3とを形成することができる。ここで凸部2の上面と側面及び凹部3の底面は金属層11により覆われている。また、凹部3の底部は多層回路板1の表層の回路4を覆う樹脂層13として形成されている。また、上記の熱圧着成形の条件は適宜設定可能であるが、例えば、圧力0.2〜5MPa、温度100〜150℃、時間60〜600秒とすることができる。
次に、図2(c)に示すように、硬化後の凸部2及び多層回路板1にスルホール加工やビア加工を行い、さらにスルーホールやビアホールにメッキを施すことにより、金属層11と多層回路板1の回路4との導通処理を施す。
この後、図2(d)に示すように、金属層11の凹部3内にある部分を除いて、金属層11の表面をエッチングレジスト(保護層)25で被覆する。次に、図2(e)に示すように、金属層11の凹部3内にある部分をエッチング処理し、樹脂層13を露出させる。また、多層回路板1の下面の金属層29にエッチング処理を施して回路4を形成する。次に、デスミア処理を行って、樹脂層13の下側に存在する多層回路板1の表層の回路4が完全に露出する程度まで薄っすらと樹脂層13を除去すると共にエッチングレジスト25を剥離除去する。これにより、図2(f)に示すように、多層回路板1の表層の回路4を凹部3の底面に露出させ、凹凸多層回路板14を形成することができる。尚、デスミア処理は内層の多層回路板1の絶縁層が粗化処理されないように管理する必要があり、プラズマ洗浄による樹脂の除去も有効な手段である。この後、図2(g)に示すように、凹凸多層回路板14の凹部3に部品6を実装することによって、凹凸多層回路板モジュールを形成することができる。尚、回路4に金メッキが施されている場合には、金メッキ表面を良く洗浄してから、部品6を搭載する必要がある。また、図2(d)の工程の後、凹部3以外を全てエッチングレジスト25で覆ってから、凹部3のみの回路4を露出させ、この後に、凹凸面側をエッチングレジスト25で覆い、図2(e)のように多層回路板1の下面側の金属層29に回路形成することもでき、この工程と上記説明の工程とのいずれを採用しても構わない。
また、図1に示すような凹凸多層回路板モジュールを形成するにあたって、金属箔で金属層11を形成せずに、メッキで金属層11を形成する方法も考えられる。すなわち、まず、図3(a)に示すように、部品7が実装された多層回路板1の上面に樹脂シート10を積層すると共にこの樹脂シート10の上面に離型フィルム27を積層し、さらに離型フィルム27の上に金型12を載置する。多層回路板1、樹脂シート10、金型12は上記と同様のものを使用することができる。離型フィルム27は凹凸形状に沿いやすいように例えば厚み20μm程度でPET(ポリエチレンテレフタレート)やポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標))などで形成されるものである。次に、上記のような積層状態で真空引きを行った後に樹脂シート10を熱溶融して熱圧着成形を行うことによって、図3(b)に示すように、樹脂シート10を金型12で成形しながら硬化させることにより凸部2と凹部3とを形成する。このように成形した後、凸部2の上面と側面及び凹部3の底面から離型フィルム27を剥離して除去する。また、凹部3の底部は多層回路板1の表層の回路4を覆う樹脂層13として形成されている。次に、図3(c)に示すように、硬化後の凸部2及び多層回路板1にドリルやレーザなどでスルホール加工やビア加工を行い、さらに樹脂シート10の上面全面(凸部2の表面と凹部3の側面及び底面(樹脂層13の表面))とスルーホールやビアホールに無電解銅メッキなどのメッキを施すことにより金属層11を形成すると共にこの金属層11と多層回路板1の回路4との導通処理を施す。
この後、図3(d)に示すように、金属層11の凹部3内にある部分を除いて、金属層11の表面をエッチングレジスト(保護層)25で被覆する。次に、図3(e)に示すように、金属層11の凹部3内にある部分をエッチング処理し、樹脂層13を露出させる。また、多層回路板1の下面の金属層29にエッチング処理を施して回路4を形成する。次に、デスミア処理を行って、樹脂層13の下側に存在する多層回路板1の表層の回路4が完全に露出する程度まで薄っすらと樹脂層13を除去すると共にエッチングレジスト25を剥離除去する。これにより、図3(f)に示すように、多層回路板1の表層の回路4を凹部3の底面に露出させ、凹凸多層回路板14を形成することができる。尚、デスミア処理は内層の多層回路板1の絶縁層が粗化処理されないように管理する必要があり、プラズマ洗浄による樹脂の除去も有効な手段である。この後、図3(g)に示すように、凹凸多層回路板14の凹部3に部品6を実装することによって、凹凸多層回路板モジュールを形成することができる。尚、回路4に金メッキが施されている場合には、金メッキ表面を良く洗浄してから、部品6を搭載する必要がある。また、図3(d)の工程の後、凹部3以外を全てエッチングレジスト25で覆ってから、凹部3のみの回路4を露出させ、この後に、凹凸面側をエッチングレジスト25で覆い、図3(e)のように多層回路板1の下面側の金属層29に回路形成することもでき、この工程と上記説明の工程とのいずれを採用しても構わない。
本発明において、従来から行われている一般的なプロセスである凹部になる部分の樹脂シートをあらかじめ打抜き等でくり抜いてから、凹部内の回路に樹脂がにじまないように低圧で樹脂の流動を押さえて成形するという方法を用いない理由は、特に部品を内蔵する場合には、部品下等に発生するボイドによる致命的な問題になる可能性があるからである。金型内で充分な圧力により樹脂を流動させた成形を行い、信頼性の高いモジュールを製造するために、凹部3の下部に樹脂が成形時に付着するが、これを凹部3内の回路4の保護用に使用することで、解決しようとしたものである。よって、凹部3内の回路4上の樹脂層13はできるだけ薄くするのが望ましい。部品を内蔵させない場合においても、凹部3内の回路4との密着性確保の観点から適正な成形圧力で硬化成形することが信頼性の高いモジュール製造には不可欠である。凹部3内の回路4の表面を実装面として再利用するためには、樹脂の残渣は、あってはならないと考える。充分な樹脂除去を行うことが必要である。
図2(f)から分かるように凹部3の側面(内周面)において、一部金属層11が切れている部分(欠損部分)があるが、この部分をできるだけ小さくすることが電磁波漏洩防止の観点から重要である。このように金属層11の欠損部分を無くし、金属層11で凹部3の側面全体を覆うためには、金型12の形状を工夫するようにする。すなわち、図4(a)に示すように、金型12の凸成形部22の周囲に、凸成形部22の下面よりもさらに下方に突出する突起部22aを用いるようにする。この金型12を用いて成形すると、図4(b)に示すように、凸部2の近傍において樹脂層13に多層回路板1の表面にまで達する窪み部13aが形成されることになる。尚、窪み部13aは多層回路板1の表面にまで達していなくても良い。そして、この後、図3(c)と同様にメッキにより金属層11を形成すると、窪み部13aにまでメッキが施される(図4(c))。さらに、この後、図3(d)〜(g)に示す工程と同様の工程である図4(d)〜(g)の工程を行うことにより、凹凸多層回路板モジュールを形成することができる。
図4(g)から明らかなように、この凹凸多層回路板モジュールは凹部3の側面全体が金属層11で覆われており、電磁波遮蔽性に優れるものである。
上記では、多層回路板1の片面のみに凸部2や凹部3や部品6を具備したものを例示したが、これに限らず、多層回路板1の両面に凸部2や凹部3や部品6を設けても良い。また、部品7を凸部2に内蔵させる場合でも多層回路板1の両面に形成した凸部2のそれぞれに部品7を内蔵させることができるものである。
以下本発明を実施例によって具体的に説明する。
(実施例1)
図2(a)〜(g)の工程に従って凹凸多層回路板14を形成した。すなわち、多層回路板1としての4層板(FR−4の厚み400μm)に、部品7として0402チップ抵抗とチップコンデンサを任意の評価パターンを使用して実装した。シリカフィラーを85wt%充填させたエポキシ樹脂シート(熱硬化性)で300μmの樹脂シート10と、金属層11として18μmの電解銅箔(品番:JTC−18、ジャパンエナジー製)を順に積層し、金型12として凸形状に加工したステンレスプレート(凸成形部22の高さが275μm、凸成形部22の面積が10mm□、合計厚み1mm)を準備する。厚みが300μmの枠体を準備して、樹脂シート10の樹脂が流出しないようにして成形した。次に、100℃の真空成形機に投入し、真空引きを開始して10分後に、実圧4.0MPa(40kg/cm)で加圧成形する。加圧時の加圧スピードは、3mm/分とした。プレートの凹凸位置を正確に調整するためにピンラミネート成形を行った。成形後に冷却を30分間行ってから、取り出した。次に、ドリルで200μmφの穴を開け、更に二酸化炭素レーザで300μmφのビアを開けた。そこへメッキを行い、スルホール加工、ビア加工を行った。次に、凹部3以外に保護膜(エッチングレジスト25)を形成してから、凹部3内の金属層11を取り除くと共にプラズマ処理により厚み10μm程度付着していた樹脂層13を取り除き、凹部3内の回路4を露出させた。このようにして凹凸多層回路板14を作製した。
(実施例2)
図3(a)〜(g)の工程に従って凹凸多層回路板14を形成した。すなわち、多層回路板1としての4層板(FR−4の400μ)に、0603チップ抵抗とチップコンデンサを任意の評価パターンを使用して実装した。シリカフィラーを85wt%充填させたエポキシ樹脂シート(熱硬化性)で400μmの樹脂シート10とPETフィルム(離型フィルム27)25μmを順に積層し、金型12として凸形状に加工したステンレスプレート(凸成形部22の高さが375μm、凸成形部22の面積が3mm□、合計厚み1mm)を準備する。厚みが400μmの枠体を準備して、樹脂シート10の樹脂が流出しないようにして成形した。100℃の真空成形機に投入し、真空引きを開始して10分後に、実圧2.0MPa(20kg/cm)で加圧成形する。加圧時の加圧スピードは、3mm/分とした。プレートの凹凸位置を正確に調整するためにピンラミ成形を行った。成形後に冷却を30分間行ってから、取り出した。次に、ドリルで200μmφの穴を開け、更に二酸化炭素レーザで300μmφのビアを開けた。そこへメッキを行い、スルホール加工、ビア加工を行った。次に凹部3以外に保護膜を形成してから、凹部3内の金属層11をエッチングにより取り除くと共にプラズマ処理により厚み20μm程度付着していた樹脂層13を取り除き、凹部3内の回路4を露出させた。このようにして凹凸多層回路板14を作製した。
(比較例1)
実施例1で使用した材料を用いて、シリカフィラーを85wt%充填させたエポキシ樹脂シート及び銅箔をプレートの凸部にあたる部分をあらかじめくり抜いてから、0.5MPa(5kg/cm)の圧力で、枠成形をせずに成形硬化させた。
そして、上記実施例1、2及び比較例1の凹凸多層回路板14の凹部3に部品6を実装して半田リフロー炉で実装を行った。
(評価試験と結果)
1.断面観察
硬化完了した凹凸多層回路板14の断面観察を行い、凹凸部のボイドの有無を確認した。結果は、比較例で試作したサンプルには部品下にボイドがあり、凹部3の周辺部には樹脂が滲み出しているが、凹部3の中央付近には樹脂の滲み出しはなかった。
2.電磁遮蔽性
比較例1では、金属層11が凸部2表面にしか存在せず、横方向には電磁波の遮蔽層がまったく形成できなかった。従って、実施例1、2は比較例1より電磁遮蔽性に優れると考えられる。
本発明の凹凸多層回路板モジュールの一例を示す概略の断面図である。 同上の製造工程の一例を示し、(a)〜(g)は概略の断面図である。 同上の製造工程の他例を示し、(a)〜(g)は概略の断面図である。 同上の製造工程の他例を示し、(a)〜(g)は概略の断面図である。
符号の説明
1 多層回路板
2 凸部
3 凹部
4 回路
6 部品
7 部品
10 樹脂シート
11 金属層
12 金型
13 樹脂層

Claims (3)

  1. 多層回路板の少なくとも片面に樹脂製の凸部が形成されると共に多層回路板の凸部以外の部分に凹部が形成され、凸部の表面全面には電磁遮蔽が可能な金属層が形成され、多層回路板の回路のアースとして金属層が形成され、凸部以外に設けた回路は多層回路板の表層の回路が露出することにより形成され、凸部には部品が内蔵され、凹部には部品が実装されて成ることを特徴とする凹凸多層回路板モジュール。
  2. 請求項1に記載の凹凸多層回路板モジュールの製造方法であって、多層回路板の部品が実装された片面に樹脂シートと金属箔からなる金属層とを積層し、凹凸面を有する金型で樹脂シート及び金属層を多層回路板に熱圧着成形して凸部と凹部を形成することによって、多層回路板に実装された上記部品を凸部に内蔵させると共に凹部の底部で多層回路板の表層の回路を覆う樹脂層を形成し、凸部の表面全面の金属層と多層回路板の回路とをアース接続するための導通形成を行ない、樹脂層及びその表面の金属層を除去することにより多層回路板の表層の回路を凹部内に露出させ、凹部に部品を実装することを特徴とする凹凸多層回路板モジュールの製造方法。
  3. 請求項1に記載の凹凸多層回路板モジュールの製造方法において、多層回路板の部品が実装された片面に樹脂シートを積層し、凹凸面を有する金型で樹脂シートを多層回路板に熱圧着成形して凸部と凹部を形成することによって、多層回路板に実装された上記部品を凸部に内蔵させると共に凹部の底部で多層回路板の表層の回路を覆う樹脂層を形成し、凸部の表面全面にメッキにより金属層を形成し、この金属層と多層回路板の回路とをアース接続するための導通形成を行ない、樹脂層を除去することにより多層回路板の表層の回路を凹部内に露出させ、凹部に部品を実装することを特徴とする凹凸多層回路板モジュールの製造方法。
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