JP4591181B2

JP4591181B2 - プリント配線板

Info

Publication number: JP4591181B2
Application number: JP2005126824A
Authority: JP
Inventors: 壮平鮫島; 茂内海; 聡柳浦; 貞夫佐藤; 利之豊島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP2006303387A

Description

この発明は、プリント配線板の分野に属するものであり、特に放熱性に優れたプリント配線板に関するものである。

近年、プリント配線板は、電子部品の高密度化に伴い、放熱性の良い基板が望まれるようになっている。放熱性に優れたプリント配線板として、金属コア基板が知られており、既に実用化されている。金属コア基板は、コア材として熱伝導率の高いアルミや銅などの金属を用いることで、発熱部品からの熱を基板全体に分散し、発熱部品の温度上昇を抑えることが可能である。最近では軽量化を目的に、コア材として金属に代わり炭素繊維強化樹脂が用いられることもある（例えば、特許文献１参照。）。

また、両面配線板または多層配線板からなる信号回路層をコア材に積層する場合には、一般に接着部材としてプリプレグが用いられる。ここで、コア材の貫通穴の穴埋めに通常のプリプレグを用いると、例えばエポキシ樹脂では熱伝導率が０．２Ｗ／ｍ・Ｋと非常に小さいために、この貫通穴の絶縁部分で熱伝導が阻害され、熱伝導率の高いコア材を設けた効果が薄れてしまう。そこで、コア材の貫通穴の穴埋めにアルミナやシリカなどの粉末が混入された樹脂を用い、貫通穴の絶縁部分における熱伝導を改善する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−３３２８２８号公報特開２００３−３１８５５０号公報

しかしながら、従来の技術では、信号回路層とコア材との積層時に、プリプレグによってコア材の貫通穴を穴埋めする場合、貫通穴内の充填不足が起きないように、プリプレグを厚めにする必要があった。そのため、プリント配線板の厚さ方向の放熱性が低下するという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、信号回路層とコア材との積層及びコア材の貫通穴の穴埋めを一括して行う際に、接着部材を薄くすることを図り、厚さ方向の放熱性を改善したプリント配線板を提供するものである。

この発明におけるプリント配線板は、信号配線をそれぞれ有する第一の信号回路層及び第二の信号回路層と、第一及び第二の信号回路層の間に設けられ熱伝導率８０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋの材質からなり貫通穴を有するコア材と、第一の信号回路層とコア材及び第二の信号回路層とコア材を接着するとともにコア材の貫通穴を充填する熱伝導率１〜１５Ｗ／ｍ・Ｋの接着部材と、コア材の貫通穴より小径で第一及び第二の信号回路層の信号配線間を導通するスルーホールと、第一及び第二の信号回路層の接着部材との隣接面またはコア材の両面に設けられ信号配線より厚い厚み制御スペーサと、を備えたものである。

この発明によれば、信号回路層とコア材との積層及びコア材の貫通穴の穴埋めを一括して行う際に、接着部材を薄くすることを図り、厚さ方向の放熱性を改善したプリント配線板を提供できる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるプリント配線板を示す断面構成図である。まず、プリント配線板６は、最外層配線４ａ及び信号配線４ｂを有する第一の信号回路層５ａ及び第二の信号回路層５ｂを有する。第一の信号回路層５ａと第二の信号回路層５ｂの間には、貫通穴１ａを有する熱伝導性のコア材１が設けられている。コア材１としては、導電性であれば特に限定しないが、アルミニウム、銅、鉄、カーボンなどが挙げられ、ＣＩＣ（銅／インバー／銅）などのクラッド材料やＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）などの複合材料でもよく、熱伝導率が８０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋの材質からなることが実用面から好ましい。

第一の信号回路層５ａとコア材１との間、第二の信号回路層５ｂとコア材１との間は、接着部材２によって接着されている。さらに接着部材２は、コア材１の貫通穴１ａを充填するものである。接着部材１としては、無機フィラーとマトリックス樹脂とから構成され、熱伝導率が１〜１５Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。ここで、無機フィラーの例として、アルミナ、シリカ、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素などの酸化物や窒化物が挙げられ、その混合物でもよい。また、マトリックス樹脂の例として、エポキシ、ビスマレイミド、シアネートエステル、ポリイミドなどが挙げられ、その混合物でもよく、あるいは弾性率を低下させるために一部アクリルなど熱可塑成分が混合されたものであってもよい。

スルーホール２ａは、貫通穴１ａ内に設けられるので貫通穴１ａより小径であり、第一の信号回路層５ａの最外層配線４ａ及び信号配線４ｂと第二の信号回路層５ｂの最外層配線４ａ及び信号配線４ｂとの間を導通するものである。ここで、それぞれ信号回路層の配線は、絶縁層３上に形成されている。コア材１とスルーホール２ａとは、接着部材２によって電気的に絶縁されている。また、第一及び第二の信号回路層５ａ、５ｂに設けたＢＶＨ（ブラインドビアホール）３ａも接着部材２によって充填されている。

さらに、第一及び第二の信号回路層５ａ、５ｂの接着部材２との隣接面には、信号配線４ｂより厚い厚み制御スペーサ４ｃが設けられている。厚み制御スペーサ４ｃは、最外層配線４ａや信号配線４ｂに対して電気的に孤立している。ここで、厚み制御スペーサ４ｃは、コア材１を積層したときに貫通穴１ａの周囲に対応する位置に設けられ、その形状は図２に示す馬蹄形状である。また、厚み制御スペーサの体積は充填するべき穴の容積に対して７０％以上であることが好ましいが、ここにおける厚み制御スペーサ４ｃの体積は貫通穴１ａの容積よりも大きい。なお、ＢＶＨ３ａのランドパターンの周囲にも同様に、厚み制御スペーサ４ｃが形成されている。

図３は、この実施の形態１によるプリント配線板の製造工程を説明する図である。まず、コア材１を準備して貫通穴１ａを設ける。次に、信号回路層５ａ、５ｂを作製する。まず、両面銅張板を準備してＢＶＨ３ａを設ける。その後、過マンガン酸処理、銅めっき処理、片面パターニングを順次行う。さらに、パターニング面の所定の導体のみに無電解銅めっきを行い、厚み制御スペーサ４ｃを形成する。続いて、黒化処理あるいはＣＺ処理を行って銅表面を粗化する。

次に、図３（ａ）に示すように下から順に、第二の信号回路層５ｂのベースとなる基板、接着部材２、コア材１、接着部材２、第一の信号回路層５ａのベースとなる基板を配置する。これを、真空プレスを用いて所定の条件で加圧加熱することで、図３（ｂ）に示すような積層状態が得られる。接着部材２によって、第一の信号回路層５ａのベースとなる基板とコア材１、第二の信号回路層５ｂのベースとなる基板とコア材１が接着される。また、貫通穴１ａ及びＢＶＨ３ａには、溶融した接着部材２が流入し充填される。

次に、図３（ｃ）に示すように、貫通穴１ａと同軸上にスルーホール２ａを設ける。続いて、図３（ｄ）に示すように、スルーホール２ａに銅めっきを施し、最外層のパターニングを行う。後工程として、外形加工、ソルダーレジスト塗工、ガスレベラー処理によるはんだコート、部品実装などを行うことで、プリント配線板が得られる。

このように、この実施の形態では、信号配線４ｂよりも厚い厚み制御スペーサ４ｃが形成される。このような厚み制御スペーサ４ｃは、真空プレス時に溶融した接着部材２を押出すように作用して貫通穴１ａ内の充填不足が起きないようにするから、信号回路層５ａ、５ｂとコア材１との積層及びコア材１の貫通穴１ａの穴埋めを一括して行っても、接着部材２を薄くできる。したがって、プリント配線板６の厚さ方向の放熱性を改善できる。とくに、接着部材２のシート厚みがコア材１の厚みの３０％以上であり、接着部材２の加熱時の最低溶融粘度が２５０００Ｐ・ｓ以下であることが好ましい。

また、厚み制御スペーサ４ｃは、最外層配線４ａや信号配線４ｂに対して電気的に孤立している。そのため、厚み制御スペーサ４ｃがコア材１に接触することがあったとしても、最外層配線４ａや信号配線４ｂと導電性のコア材１とが短絡することを防止できる。

また、厚み制御スペーサ４ｃは、コア材１を積層したときに貫通穴１ａの周囲に対応する位置に設けられた馬蹄形状であり、しかもその体積は貫通穴１ａの容積よりも大きい。このような厚み制御スペーサ４ｃは、真空プレス時に溶融した接着部材２を貫通穴１ａの方向に押出すように作用するので、貫通穴１ａ内の充填が一段と確実になる。

なお、この実施の形態では厚み制御スペーサ４ｃとしてめっき処理で得られた銅を用いているが、厚み制御スペーサ４ｃには直接電気が流れないことから、熱硬化性樹脂等からなる絶縁体で予め形成しておいても、同様の効果が得られる。この場合、絶縁性が向上するというメリットがある。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２におけるプリント配線板を示す断面構成図である。この実施の形態は、実施の形態１における信号回路層を両面配線板に代えて４層配線板とした変形例である。信号回路層が４層配線板であっても、図３と同様の製造工程でプリント配線板を得ることができる。更なる多層化であっても同様である。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３におけるプリント配線板の製造工程の一部を説明する図である。実施の形態１及び２ではシート状の接着部材２を用いたが、この実施の形態では液状の接着部材２を用いる。液状の接着部材２は、スクリーン印刷によってコア材１の両面に塗工されるとともに貫通穴１ａにも充填される。その後、真空プレスする。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４におけるプリント配線板の製造工程の一部を説明する図である。この実施の形態では、図６に示すように、厚み制御スペーサ４ｃをコア材１の両面に設けている。コア材１は炭素繊維強化樹脂の成形物であり、厚み制御スペーサ４ｃは貫通穴１ａの周囲に設けられている。

このコア材１は例えば、一軸配向の炭素繊維強化樹脂プリプレグを積層し、オートクレーブによって加圧加熱することで得られる。炭素繊維強化樹脂プリプレグの配向方向を適宜設計することで、熱伝導率を適宜設定できる。さらに、コア材１を炭素繊維強化樹脂の成形物とすることで、厚み制御スペーサ４ｃをコア材１側に容易に形成できる。

以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。
実施例１
実施の形態１で説明したプリント配線板を得た。まず、アルミニウム製コア材１は、厚み０．５ｍｍ、サイズ２００ｍｍ×２００ｍｍで、直径９００μｍの貫通穴１ａを複数有する。信号回路層５ａ、５ｂは、絶縁層３厚み６０μｍ、銅箔厚み１８μｍ、サイズ２００ｍｍ×２００ｍｍで、直径３００μｍ（仕上り径）のＢＶＨ３ａを複数有する。ここで、ＢＶＨ３ａには過マンガン酸処理後に２０μｍの銅めっきを施してある。厚み制御スペーサ４ｃは、めっきレジストを用いて、外層および内層の厚み制御スペーサ形成部分を除いて被覆し、約１００μｍ無電解銅めっきを行って形成した。貫通穴１ａの周囲に対応する位置に形成した厚み制御スペーサ４ｃの体積は、図１の上下側合わせて約０．４ｍｍ^３であり、貫通穴１ａの容積約０．３ｍｍ^３より大きい。また、ＢＶＨ３ａのランドパターンの周囲に形成した厚み制御スペーサ４ｃの体積は約０．０７ｍｍ^３であり、ＢＶＨ３ａの容積約０．００４ｍｍ^３に比べて充分に大きい。

接着部材２は、厚み２００μｍ、サイズ２００ｍｍ×２００ｍｍ、アルミナ６５体積％含有、熱伝導率３Ｗ／ｍ・Ｋ、加熱時の最低溶融粘度６０００Ｐａ・ｓの樹脂シートである。この樹脂シートを用いて、昇温速度３℃／ｍｉｎ、圧力５０ｋｇ／ｃｍ２、加熱条件１８０℃で１時間の真空プレスを行った。続いて、コア材１の貫通穴１ａの同軸上に直径３００μｍのスルーホール２ａを設けた。無電解銅めっきおよび電解銅銅めっきによって厚み２０μｍのめっきを施し、最外層のパターニングを行った。後工程として、外形加工、ソルダーレジスト塗工、ガスレベラー処理によるはんだコートを行った。

このようにして得られたプリント配線板の断面観察を行ったところ、貫通穴１ａ及びＢＶＨ３ａにはボイドがなく、充填不足は起きていなかった。また、コア材１と厚み制御スペーサ４ｃとの間には、５μｍ程度の均一な樹脂層があり、コア材１と内層の信号配線４ｂとは接触していない、すなわち短絡していないことがわかった。

また、発熱体としてセラミックヒーターを実装し放熱性を調べた。大気中（室温２５℃）、消費電力３．７Ｗで６０分間保持後の温度飽和状態における発熱体温度は７０℃で、発熱体から５ｃｍ離れたプリント配線板表面温度は５０℃に上昇し、プリント配線板の面内において均一な温度分布を示した。さらに、スルーホール信頼性を調べるため、ヒートサイクル試験（−６５℃で１５分間、１２５℃で１５分間を繰り返す試験）を行った。５００サイクル後、断面観察を行ったところ、クラックはなかった。

実施例２
実施の形態２で説明したプリント配線板を得た。この際、信号回路層を４層配線板としたことを除いて、実施例１と同様にした。

このようにして得られたプリント配線板の断面観察を行ったところ、貫通穴１ａ及びＢＶＨ３ａにはボイドがなく、充填不足は起きていなかった。また、コア材１と厚み制御スペーサ４ｃとの間には、５μｍ程度の均一な樹脂層があり、コア材１と内層の信号配線４ｂとは短絡していないことがわかった。また、発熱体としてセラミックヒーターを実装し放熱性を調べた。大気中（室温２５℃）、消費電力３．７Ｗで６０分間保持後の温度飽和状態における発熱体温度は７０℃で、発熱体から５ｃｍ離れたプリント配線板表面温度は５０℃に上昇し、プリント配線板の面内において均一な温度分布を示した。さらに、スルーホール信頼性を調べるため、ヒートサイクル試験を行い、５００サイクル後、断面観察を行ったところ、クラックはなかった。

実施例３
実施の形態３で説明したプリント配線板を得た。この際、液状の接着部材を用い、スクリーン印刷によってコア材の両面に塗工し貫通穴にも充填したことを除いて、実施例１と同様にした。

実施例４
実施の形態４で説明したプリント配線板を得た。この際、コア材を炭素繊維強化樹脂の成形物とし、厚み制御スペーサをコア材の両面で貫通穴の周囲に設けたことを除いて、実施例１と同様にした。

実施の形態１を説明するためのプリント配線板の断面構成図である。実施の形態１を説明するための厚み制御スペーサの模式図である。実施の形態１を説明するためのプリント配線板の製造工程図である。実施の形態２を説明するためのプリント配線板の断面構成図である。実施の形態３を説明するためのプリント配線板の一部製造工程図である。実施の形態４を説明するためのプリント配線板の一部製造工程図である。

符号の説明

１コア材、１ａ貫通穴、２接着部材、２ａスルーホール、４ｂ信号配線、４ｃ厚み制御スペーサ、５ａ第一の信号回路層、５ｂ第二の信号回路層、６プリント配線板。

Claims

信号配線をそれぞれ有する第一の信号回路層及び第二の信号回路層と、前記第一及び第二の信号回路層の間に設けられ熱伝導率８０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋの材質からなり貫通穴を有するコア材と、前記第一の信号回路層と前記コア材及び前記第二の信号回路層と前記コア材を接着するとともに前記コア材の前記貫通穴を充填する熱伝導率１〜１５Ｗ／ｍ・Ｋの接着部材と、前記コア材の前記貫通穴より小径で前記第一及び第二の信号回路層の前記信号配線間を導通するスルーホールと、前記第一及び第二の信号回路層の前記接着部材との隣接面または前記コア材の両面に直接設けられ前記信号配線より厚い厚み制御スペーサと、を備えていることを特徴とするプリント配線板。
前記第一及び第二の信号回路層の前記接着部材との隣接面に設けられた前記厚み制御スペーサは、電気的に孤立していることを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。
前記厚み制御スペーサは前記コア材の前記貫通穴の周囲に対応する位置に設けられた馬蹄形状であり、前記厚み制御スペーサの体積は前記貫通穴の容積よりも大きいことを特徴とする請求項２記載のプリント配線板。
前記コア材は、該コア材の前記貫通穴の周囲に設けられた前記厚み制御スペーサを有する炭素繊維強化樹脂の成形物であることを特徴とする請求項１記載のプリント配線板。